2.3. Усилители преобразователи

Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения мощности сигнала за счет энергии N дополнительного источника питания; при этом выходная (усиленная) величина y является функцией входного сигнала x и имеет одинаковую с ним физическую природу. Усилители относятся к активным элементам автоматики (рис. 1).

а) б)

Рис. 1. Функциональные схемы элементов САУ.

а) – активный элемент Э (усилитель); б) – усилительный элемент с обратной связью (ОС).

Усилители классифицируются:

От вида энергии, получаемой от дополнительного источника питания;

– электрические;

– пневматические;

– гидравлические;

– механические и др.

Наиболее широко применяются электрические усилителя.

По принципу действия.

Электрические усилители делятся на две группы.

Первая группа – электронные, которые делятся по следующим признакам;

– виду активного элемента ламповые, транзисторные, на туннельных диодах;

– диапазону частот электрометрические, постоянного тока, низкой частоты, высокой частоты;

– ширине полосы частот узкополосные, широкополосные;

– виду сигнала гармонические, импульсные;

– электрическому параметру напряжение, тока, мощности;

– типу нагрузки резисторные, резонансные, реактивная.

Вторую группа составляет усилители:

– электромашинные;

– магнитные.

Характеристики усилителей.

Одним из важных параметров усилителя является коэффициент усиления по мощности, напряжению, току, которые определим из уравнений:

2)

где: КР, КU, КI - коэффициент усиления по мощности, напряжению, тока;

Рвых, Рвх, Uвых, Uвх, Iвых Iвх – мощность, напряжение, ток выходного и входного сигнала.

Коэффициент усиления является безразмерной величиной. Иногда усилители напряжения с токовым выходом характеризуются крутизной характеристики:

Sу = Iвых/Eг ≈ Iвых/Uвых 4)

Динамические свойства усилителей определяются их частотными характеристиками:

– нелинейные искажения, отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала.

Нелинейные искажения в усилителях гармонических сигналов оцениваются коэффициентом нелинейных искажений:

где: U1, I1 – действующие значения первых гармоник напряжения и токов на выходе; Un, In - действующие значения n-ых гармоник напряжения и токов на выходе; n – номер гармоники.

Динамический диапазон определяется отношением:

Более подробно электронные усилители рассмотрены в дисциплине «Электронная техника».

Магнитным усилителем называется усилитель электрических сигналов, действие которого основано на использовании нелинейности характеристик ферромагнитных материалов.

Магнитные усилители различают по следующим признакам:

- виду статической характеристики, однотактные (нереверсивные) и двухтактные (реверсивные);

– способу осуществления обратной связи, бес ОС и с ОС (внешней, внутренней, смешанной);

– форме кривой выходного напряжения, с выходом на несущей или удвоенной частоте, на постоянном токе или переменном;

– способу включения нагрузки, с последовательным и параллельным включением нагрузки и рабочих обмоток;

– способу осуществления смещения, постоянным или переменным током и шунтированием выпрямителей ОС;

– режиму работы, линейные и релейные.

На рис. 2 изображен простейший магнитный усилитель бес ОС выполненный в виде двух одинаковых трансформаторов.

Рис. 2.

Рабочие обмотки этих трансформаторов с числом витков wр включаются последовательно с источником питания переменного напряжения U. Управля-

ющие обмотки с числом витков wу включаются встречно относительно рабочих обмоток для устранения трансформаторной связи между цепями, образуемыми управляющими и рабочими обмотками. Усиливаемый сигнал постоянного тока Iу поступает в управляющие обмотки wу трансформаторов и вследствие нелинейного характера кривой намагничивания сердечников вызывает уменьшение их магнитной проницаемости и пропорциональное уменьшение индуктивности L1 рабочих обмоток.

При отсутствии сигнала на входе усилителя I2=0 и I1= Iμ. В этом режиме ток нагрузки равен току холостого хода трансформатора.

Коэффициенты усиления по току ki и мощности kр для простейшего магнитного усилителя определяют по формулам:

ki=∆Iн/∆Iу~ wу/ wр;

kр=∆I²нRн/∆I²уRу~w²уRн/ w²р Rу.

где: Rу. – активное сопротивление управляющей обмотки.

Примерный вид графика функции Iн=ƒ(Iу) простейшего магнитного усилителя на двух трансформаторах (рис. 3).

Рис. 3.

Выше рассмотренные усилители применяются в основном для измерения входной величины от 0 до максимального значения или от 0 до минимального значения. Для измерения величин от максимального до минимального значения, характеристика которого проходит через пересечения координат (рис. 4) применяют двухтактные магнитные усилители.

Рис. 4.

Двухтактным магнитным усилителем называется усилитель, обладающий статической характеристикой, при которой изменение полярности управляющего сигнала вызывает изменение полярности выходного напряжения или изменение фазы выходного напряжения на 180° (рис. 4).

Электромашинный усилитель (ЭМУ) представляет собой коллекторный генератор постоянного тока. В электромашинных усилителях выходная (управляемая) электрическая мощность создается за счет механической мощности приводного двигателя. Подробно об электромашинных усилителях представлено в дисциплине «Электрические машины».