Файл: Автоматизация_Staroverov1.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.

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 самонасы- щением. У первых по рабочем 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 /?_н включена последовательно с рабочей обмоткой, питание которой осуще­ствляется переменным током и_о.

При изменении входного напряжения С/_вх будет изменяться подмагничивающее постоянное поле и магнитная проницаемость ;х 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 £/_вх может меняться не только по ам­плитуде, но и по знаку. Необходимо лишь, чтобы частота вход- кого напряжения была значительно (в 5—10 раз) меньше частоты источника питания 1/₀. 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.

2. 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

д)

Схема простейшего однокаскадного усилителя на электронной лампе показана на рис. 14, а. Входной сигнал {/_вх подается на сетку электронной лампы V, в анодную цепь которой включен резистор (нагрузка) £?_а == /?_н. При изменении значения и_вх будет меняться значение анодного тока /_а, а следовательно, и значение выходного напряжения и_вых, равного падению на­пряжения на нагрузочном (анодном), резисторе Ц_п от протекания анодного тока. В этом и заключается усилительный эффект. Резистор Ш служит для ограничения сеточных токов. Рези­стор Я2 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 не является одновременно анодным резистором /?_а, а включен в анодную цепь через трансформатор, благодаря чему выходное напряжение 1/_ъыж 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 /?/ и 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, (?) соответствует наиболее распространенной схеме электронного усилителя с общим като­дом. В схеме резистор £?_н является нагрузочным в цепи коллек­тора, а резисторы Я1 и Я2 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 транзистор'ные 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.