Файл: Основы автоматизации производства.doc

2. Электромеханические и магнитные усилители

Электромеханические усилители выполняют в виде электромашинных усилителей (ЭМУ) или электромагнитных реле.

Электромашинные усилители – специальные электрические генераторы постоянного тока, выходная мощность которых регулируется путем изменения мощности управления. Конструктивно электромашинные усилители выполняют в виде установки, в корпусе которой располагаются асинхронный электродвигатель и генератор.

Электромашинные усилители допускают значительные форсировки по току и по напряжению, имеют малую мощность управления и хорошее быстродействие.

Однако электромашинные усилители имеют невысокую надежность из-за наличия подвижных контактов между щетками и коллектором, создают большие помехи для работы радиоаппаратуры, имеют относительно большие размеры и массу.

Рис. 13. Схемы магнитных усилителей дроссельного типа:

а – простейшего, б – на двух магнитопроводах, в – на одном Ш-образном магнитопроводе

В электромагнитных реле получаемый управляющий сигнал подают на катушку, в результате чего замыкаются контакты, способные пропускать ток большей мощности. Усилители подобного типа позволяют увеличивать энергию входного сигнала в 1000 раз, существенно упростить схему управления и повысить ее стабильность по отношению к изменениям температуры окружающей среды. Они получили широкое распространение в системах автоматического регулирования (стабилизации) температуры термических и плавильных печей.

Магнитные усилители представляют собой электромагнитное устройство, в котором связь выхода и входа осуществляется через магнитное поле. В основу принципа его действия положена нелинейная зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от напряженности постоянного подмагничивающего поля, созданного или изменяемого входным сигналом.

Магнитные усилители подразделяют на простые и с самонасыщением. У первых по рабочим обмоткам протекает только переменный ток, а в усилителях второй группы по рабочим обмоткам протекает ток, содержащий постоянную составляющую.

Основными параметрами магнитных усилителей являются характеристики управления, т. е. взаимосвязь между установившимися значениями входной и выходной величин, например между рабочим током нагрузки и током управления.

Простейший магнитный усилитель – усилитель дроссельного типа (рис. 13, а). Он представляет собой катушку индуктивности 1 с ферромагнитным магнитопроводом 2 и дополнительной управляющей обмоткой 3. Нагрузка усилителя R_н включена последовательно с рабочей обмоткой, питание которой осуществляется переменным током U₀.

При изменении входного напряжения U_вх будет изменяться подмагничивающее постоянное поле и магнитная проницаемость  ферромагнитного магнитопровода, а следовательно, и индуктивность рабочей обмотки. В результате будет меняться ток выходной цепи.

Таким образом, устройство магнитных усилителей основано на использовании непостоянства магнитной проницаемости ферромагнетика, т. е. нелинейности индуктивного сопротивления дросселя.

Входное напряжение U_вх может меняться не только по амплитуде, но и по знаку. Необходимо лишь, чтобы частота входного напряжения была значительно (в 5–10 раз) меньше частоты источника питания U₀. Тогда интенсивность входного сигнала будет определять амплитуду тока в цепи нагрузки и изменение входного сигнала во времени будет соответствовать изменению огибающих этих амплитуд. Таким образом, магнитный усилитель одновременно является модулятором, преобразующим сколь угодно медленно меняющееся напряжение на входе в изменения огибающих выходного напряжения.

Рассмотренная простейшая схема дроссельного магнитного усилителя практически не применяется, так как переменный ток, протекающий по рабочей обмотке, наводит ЭДС в управляющей обмотке. Наведенный ток попадает в цепь датчика сигнала и искажает его характеристику.

Отмеченный недостаток устраняется, если применить схему (рис. 13, б) с двумя магнитно не связанными между собой дросселями, обмотки которых соединены так, как показано на рисунке. Если входная обмотка 3 намагничивает оба магнитопровода в одном направлении, то выходная обмотка – в разных. Благодаря этому взаимно компенсируются ЭДС, наведенные во входных обмотках.

Трехстержневая схема магнитопровода приведена на рис. 13, в. В этом случае во входной обмотке также не будет наводиться ЭДС трансформации, так как соответствующие составляющие переменного потока взаимно уничтожаются и будут отсутствовать в среднем стержне. Рассмотренная схема находит применение благодаря удобству изготовления и возможности размещения большого числа витков.

С повышением частоты источника питания размеры магнитных усилителей уменьшаются, но одновременно растут потери в ферромагнетике и увеличивается магнитный поверхностный эффект.

В целом магнитные усилители являются надежными элементами автоматики, к достоинствам которых следует отнести высокую прочность при практически неограниченном сроке службы, а также в отличие от электронных ламповых усилителей мгновенную готовность к действию. Удобно и суммирование сигналов в магнитном усилителе, для этого достаточно иметь соответствующее число входных обмоток. Магнитные усилители нечувствительны к радиоактивным излучениям. Недостатки магнитных усилителей – сравнительно большая масса и значительная инерционность, обусловленная заметным количеством энергии, запасаемой в магнитном поле дросселя.

3. Электронные усилители

К электронным ламповым и полупроводниковым усилителям относятся устройства систем автоматики, в которых используются многоэлектродные лампы или полупроводниковые приборы, значение активного сопротивления которых зависит от интенсивности или полярности электрического поля.

Рис. 14. Схемы электронных усилителей:

а – электровакуумных постоянного тока; б – переменного тока; в – полупроводниковых с общей базой; г – с общим коллектором; д – с общим эмиттером

Элемент усилителя, состоящий из электронной лампы или полупроводника с резисторами и конденсаторами, называют усилительным каскадом. Если для усиления входного сигнала одного каскада недостаточно, то применяют последовательное соединение нескольких каскадов. В этом случае первые каскады выполняют роль предварительного усиления, обеспечивая работу мощного выходного каскада. Различают однокаскадные и многокаскадные усилители.

Схема простейшего однокаскадного усилителя на электронной лампе показана на рис. 14, а. Входной сигнал U_вх подается на сетку электронной лампы V, в анодную цепь которой включен резистор (нагрузка) R_а = R_н. При изменении значения U_вх будет меняться значение анодного тока I_а, а следовательно, и значение выходного напряжения U_вых, равного падению напряжения на нагрузочном (анодном), резисторе R_н от протекания анодного тока. В этом и заключается усилительный эффект. Резистор R1 служит для ограничения сеточных токов. Резистор R2 введен для стабилизации выходного сопротивления усилителя. Рассмотренная схема является нереверсивной.

Схема простейшего усилителя переменного тока с трансформаторным выходом (рис. 14, б) отличается от схемы усилителя постоянного тока только тем, что нагрузочный резистор R_н не является одновременно анодным резистором R_a а включен в анодную цепь через трансформатор, благодаря чему выходное напряжение U_вых содержит лишь переменную составляющую.

Применяемые в системах автоматики усилители на вакуумных лампах, в большинстве случаев миниатюрного (пальчикового) типа, выгодно отличаются от прочих видов усилителей ничтожно малой входной мощностью и незначительной инерционностью. Недостатком электронных ламповых усилителей являются низкий КПД и небольшая выходная мощность, а также ограниченные надежность и срок службы. Они широко используются в системах автоматики для предварительного усиления сигналов, полученных от преобразователей. Предельная выходная мощность не превышает 100 Вт.

Для построения полупроводниковых усилителей в качестве управляющих устройств используют полупроводниковые триоды (транзисторы), изготовляемые из германия или кремния с соответствующими примесями.

Транзисторы могут включаться в усилительные схемы тремя различными способами: с обшей базой, с общим коллектором и общим эмиттером.

Схема полупроводникового усилителя с общей базой (рис. 14, в) соответствует редко применяемой в автоматике схеме электронного усилителя с общей сеткой. В этих усилителях электрод базы является общим для входной и выходной цепей. Выходное напряжение находится в фазе с входным. Коэффициент усиления по току меньше единицы, а по напряжению много больше единицы. Усилители, построенные по такому принципу, используют в качестве входного каскада по отношению к преобразователю с низким выходным сопротивлением.

В полупроводниковом усилителе с общим коллектором (рис. 14, г) коэффициент усиления по току на много больше единицы, а по напряжению – меньше единицы. Резисторы R1 и R2 составляют делитель напряжения, с которого снимается напряжение смещения. Усилители, построенные по такой схеме, применяют в качестве первого каскада усиления для согласования включения преобразователя с высокоомным выходом или в качестве выходного каскада при работе с низкоомной нагрузкой.

Схема с общим эмиттером (рис. 14, д) соответствует наиболее распространенной схеме электронного усилителя с общим катодом. В схеме резистор R_н является нагрузочным в цепи коллектора, а резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения, с которого снимается напряжение смещения. Схема с общим эмиттером получила наибольшее практическое применение. Она обеспечивает высокий коэффициент усиления по мощности и току и имеет сравнительно большое входное сопротивление.

В настоящее время транзисторные усилители вытесняют ламповые усилители из многих сфер применения. Это объясняется тем, что срок службы транзисторов составляет несколько десятков тысяч часов, а аварийные выходы транзисторов при соответствующем температурном режиме весьма редки.

Рис. 15. Схемы пневматических усилителей дроссельного типа:

а – с дросселем; б – с соплом-заслонкой

Гидравлические и пневматические усилители применяются в системах автоматики для усиления сигналов по мощности. Принципиально схемы таких усилителей не имеют различия. Если в пневматических усилителях используется сжатый воздух, то в гидравлическом усилителе – жидкость под давлением (чаще масло).