3.1. Электронные усилители

Особенностью электронных усилителей является их способность усиливать маломощные сигналы порядка 10^-6 Вт при напряжениях порядка 10^-3 В, поэтому в системах управления их применяют в основном в маломощных цепях для обработки сигналов от датчиков, для согласования элементов системы управления по уровню или мощности сигналов, для выработки управляющего сигнала. По выходной мощности эти усилители уступают гидро- и пневмоусилителям тех же габаритов, поэтому для управления исполнительными устройствами они применяются не так широко.

По соотношению входного сопротивления усилителя Z_BX и выходного сопротивления источника сигнала Z_е усилители делятся:

на усилители напряжения — Z_BX > 100 МОм » Z_c, ток во входной цепи усилителя I_вх = 0 (источник работает в режиме холостого хода), усилитель практически не влияет на процессы в источнике (например, применяется для усиления сигналов с де­лителей напряжения типа неравновесных мостов);

усилители тока — Z_BX « Z_e, источник сигнала работает в режиме, близком к короткому замыканию, ток во входной цепи усилителя I_вх задается источником;

усилители мощности — Р = IU: Z_BX ≈ Z_c, ток и напряжение на входе усилителя определяются как источником сигнала, так и усилителем.

При проектировании цепи управления следует уделить вни­мание согласованию звеньев цепи по их входным и выходным сопротивлениям.

В настоящее время в основном применяются полупроводниковые усилители благодаря их малым габаритам, низкой потребляемой мощности и высокой надежности. Работа полупроводниково­го усилителя основывается на возможности управления током от эмиттера к коллектору транзистора путем изменения напряжения на базе. На рис. 31 приведена схема простейшего усилителя напряжения с общим эмиттером. Схема питается от источника, плю­совой контакт которого соединен с землей, а минусовой при помощи делителя R₁ R₂ устанавливает режим работы транзистора. Выходная цепь представляет собой делитель, в первом из плеч которого стоят R_э и транзистор, во втором — R_K. Выходное напряжение снимается с первого плеча делителя. В зависимости от входного напряжения меняется ток I_к через R.э, R_K и выходное напряжение U_вых как падение напряжения на Rэ, и транзисторе:

Uвых ⁼ E_п - I_к R_к - При закрытом транзисторе I_к= 0, падение напряжения на R_к равно нулю и U_вых = Е_п. При открытом транзисторе

и U_вых «Е_п.

Рис. 31. Усилительный каскад с общим эмиттером

На рис. 32 представлена схема двухкаскадного усилителя тока, оба каскада которого соответствуют рис. 31.

Рис. 32. Двухкаскадный усилитель

Такой усилитель имеет коэффициент усиления 30...200.

Основными характеристиками усилителей являются уровень собственных шумов и пороговая чувствительность — минимальное значение входного сигнала, при котором выходной сигнал можно отличить от собственных шумов с заданной вероятностью Р (при Р = 0,98 сигнал на выходе должен превышать шум в 3 раза).

Источником собственных шумов являются электромагнитные наводки, уменьшить которые можно экранированием, а также тепловые шумы и шумы усилительных элементов. Особенно вредны шумы во входной цепи и первом каскаде усиления усилителя, где их уровень соизмерим с уровнем полезного сигнала. Шумы усиливаются следующими каскадами усилителя вместе с полезным сигналом и передаются на выход усилителя.

Современные усилители кроме своей основной функции обычно осуществляют также фильтрацию входного сигнала, оставляя в нем только представляющие интерес для анализа частотные составляющие и удаляя помехи (например, наводки от электросети с частотой 50 Гц).

Различают следующие типы транзисторных усилителей: усилители переменного тока, которые управляют мощностью переменного тока рабочей частоты (например, 50 Гц), подаваемого на электродвигатель синхронный или асинхронный;

усилители с импульсной модуляцией, предназначенные для усиления мощности импульсов, управляющих электромагнитными распределителями в гидро- и пневмоприводах, электромагнитными муфтами, шаговыми электродвигателями, электродвигателями, работающими в импульсном режиме, и т.д. (эти усилители также относятся к группе усилителей переменного тока);

усилители постоянного тока, предназначенные для усиления сигналов постоянного тока от датчиков, управления электромагнитными реле, согласования элементов системы управления по току и напряжению.