Тема №16. Электрические усилители.

В системах промышленной автоматики сигналы датчиков, несущие информацию о параметрах технологических процессов, обычно малы по уровню и недостаточны для приведения в действие исполнительных механизмов, связанных с регулирующими органами. Для повышения уровня сигнала до необходимого значения применяются усилители.

Усилитель - устройство, усиливающие по амплитуде и мощности и точно воспроизводящие постоянные и переменные сигналы за счет энергии вспомогательного источника питания.

Классификация усилителей

По виду входной и выходной энергии усилители подразделяются на электрические, гидравлические и пневматические. Усилители также можно классифицировать по функциональной зависимости выходного сигнала от входного. Эта зависимость может быть непрерывной 1 или скачкообразной (релейной) 2, как это показано на рис. 1.

Рис. 1.

Наиболее распространены в промышленной автоматике электрические усилители - транзисторные, ламповые, магнитные, электромашинные, тиристорные и релейные.

Усилитель характеризуется рядом параметров, к которым относятся статический коэффициент усиления, частотный диапазон, характер усиливаемого сигнала, выходная мощность и КПД. Усилитель также характеризуется динамическими параметрами, определяющими его работу в переходном режиме. Статический коэффициент усиления определяется отношением

k = Δy/Δx

где Δx и Δy - приращения входного и выходного параметров.

В настоящее время все современные средства промышленной автоматики строятся на основе полупроводниковых элементов, поэтому усилителям и их применению уделяется особое внимание.

Транзисторные усилители

Транзистор - это полупроводниковый элемент, предназначенный для усиления электрических сигналов.

Транзисторы подразделяются на биполярные и полевые. Первые управляются сигналом тока, подаваемым на его вход, а вторые - напряжением. Биполярный транзистор имеет два электронно-дырочных, перехода и три вывода – эмиттер, базу и коллектор. Биполярные транзисторы могут быть прямой или обратной проводимостями, а полевые с р или п каналами. Возможны три схемы включения транзистора: с общей базой, с общим коллектором и с общим эмиттером.

Рис. 2

На рис. 2 показаны схемы включения биполярного транзистора прямой проводимости их основные характеристики: а) – с общей базой; б) с общим коллектором; в) с общим эмиттером:

где К_i – коэффициент усиления по току; K_u – коэффициент усиления по напряжению; R_вх – входное сопротивление; R_вых – выходное сопротивление.

Преимущественное распространение имеет схема с общим эмиттером (рис. 2, в).

Рис. 3.

Свойства транзистора в статическом режиме при такой схеме включения определяются семействами входных и выходных характеристик, показанных на рис. 3, а, б. Зависимость тока коллектора от тока базы определяется выражением

I_к = βI_б + I_к.о,

где I_к - ток коллектора; I_б - ток базы; I_к.о - обратный ток коллектора; β -коэффициент передачи тока базы. Значение коэффициента β в зависимости от типа транзистора и режима его работы может быть от 30 до 300. Биполярный транзистор имеет малое входное и значительное выходное сопротивление. Если в цепь коллектора включить резистор, то при изменении тока базы будут одновременно изменяться ток и напряжение коллектора. При этом изменение мощности, выделяемой в коллекторной цепи, будет значительно больше изменения мощности на входе транзистора. На этом основана работа транзисторного усилителя.

По роду усиливаемого, сигнала различают транзисторные усилители постоянного и переменного тока. Так как с помощью одного каскада не удается решить задачу усиления, то усилители обычно выполняются многокаскадными. В многокаскадных усилителях переменного тока связи между каскадами, между источником сигнала и входом усилителя, а также между выходом и нагрузкой выполняются с помощью конденсаторов или трансформаторов. В усилителях постоянного тока эти связи выполняются непосредственно. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельные каскадов.

Каскад (усиления) – это функциональный узел устройства, содержащий усилительный элемент, связанный с предыдущими или последующими узлами устройства.

Схема усилительного каскада переменного тока с ёмкостной связью показана на рис. 4, а.

а

б

Рис. 4.

В ней резисторы R1 и R2 обеспечивают режим покоя транзистора (на входе нет сигнала) заданием потенциала базы, при котором усилитель работает в пределах линейного участка входной характеристики транзистора. Резистор R_э и конденсатор С_э предназначены для температурной стабилизации схемы. Конденсаторы С/ и С2 обеспечивают развязку каскада по постоянному току и напряжению со стороны его входа и выхода.

Коэффициент усиления каскада зависит от частоты сигнала, подаваемого на вход. В области средних частот его значение К_о. Эта зависимость может быть представлена амплитудно-частотной характеристикой (рис. 4, б), которая содержит три области частот: средние ω₀, низшие ω_н и высшие ω_в. Снижение коэффициента усиления в области низших частот определяется наличием, входной и выходной емкостей, а в области высших частот - емкостью коллекторного электронно-дырочного перехода транзистора и паразитной емкостью монтажа.

Усилители постоянного тока (УПТ) - применяются в автоматических регуляторах, в моделирующих устройствах и в других системах. Особенностью их является непосредственная связь между источником сигнала и входом усилителя, между каскадами и между выходным каскадом и нагрузкой. Это обстоятельство требует, чтобы в режиме покоя потенциалы точек связи были равны, что достигается с помощью резисторных делителей напряжения, опорных диодов или дополнительных источников питания.

Усилители постоянного тока имеют недостаток, называемый дрейфом нуля. Он состоит в том, что при закороченном входе выходное напряжение может изменяться по случайному закону. Это явление связано с температурной нестабильностью параметров транзисторов и других элементов схемы усилителя, а также со случайными колебаниями напряжения источника питания. Существует ряд схемных методов уменьшения дрейфа нуля, к которым относится применение отрицательной обратной связи и балансных схем УПТ.

Рис. 5.

Схема трехкаскадного УПТ и его частотная характеристика показаны на рис. 5, а

Завал частотной характеристики в области высших частот (рис. 5, б) связан с теми же причинами, что и в усилителях переменного тока (наличие С_к и емкости монтажа). УПТ могут усиливать и переменные сигналы.

Рис. 6.

Для получения значительной мощности, соответствующей мощности нагрузки, применяются выходные каскады усилителей - усилители мощности. Они бывают однотактными и двухтактными. В первых транзистор усиливает обе полуволны, а во вторых имеется два транзистора, каждый из которых усиливает свою полуволну (рис.4.5.).

Усилители мощности могут быть с трансформаторными входом и выходом. Применение трансформатора позволяет согласовать сопротивление усилителя и нагрузки и таким образом получить большой коэффициент усиления.