книги из ГПНТБ / Рогов Е.Ф. Основы теории автоматического регулирования учебное пособие

Темновой ток с повышением температуры возрастает. Так, для германиевых фотодиодов уже при температуре- 60—70°С вели­ чина те-мнового тока достигает значения, при котором может на­ ступить пробой п—р-перехода. Для кремниевых фотодиодов эта температура значительно выше и составляет примерно 150°С.

На рис. 7.36 приведены частотные характеристики фотодиодов ФД и ФДК. Исходя из частотных характеристик фотодиодов, можно заключить, что на низких частотах (до 4 кгц) фотодиоды могут рассматриваться как усилительное звено, на частотах боль­ ших, чем 4 кгц, — как апериодическое звено.

180

В системах автоматического регулирования обычно приме­ няются двухтактные датчики.

Двухтактные фотодатчики наиболее часто включаются по дифференциальной и мостовой схемам. На рис. 7.37 изображена дифференциальная схема включения фотодиодов. При перемеще­ нии экрана изменяется освещаемая площадь фотодиодов, а сле­ довательно, изменяются и фототоки диодов. В исходном состоянии экран должен занимать среднее положение, так чтобы при нали­ чии светового потока напряжение на выходе схемы было равно нулю. При перемещении экрана (например, вниз) фототок у ФД-1

Рис. 7.37.

Фотодиоды в вентильном режиме работы (без внешнего ис­ точника напряжения U) могут также включаться по дифферен­ циальной схеме. Схема их включения подобна схеме, изображен­ ной на рис. 7.37, только из нее надо исключить источник напря­ жения U и замкнуть цепь в этом месте проводником.

Фотодиоды могут также применяться в схемах релейного действия, в которых выходной сигнал появляется в результате скачкообразного изменения освещенности.

Расчеты схем с фотоэлементами можно найти в [30].

181

ГЛАВА S

УСИЛ ИТЕЛ ЬНО.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ ЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

§8.1. Общие сведения

Сизмерительного устройства системы автоматического регу­

лирования сигнал ошибки e(f) должен поступить на исполни­ тельное устройство, которое воздействует «а объект регулирова­ ния таким образом, чтобы привести регулируемую величину x[t) в соответствие с заданной величиной, т. е. управляющим воздейст­ вием g{t), и тем самым свести сигнал ошибки к нулю. Но в не­ которых случаях мощность сигнала ошибки оказывается недоста­

сигнал ошибки до мощности, достаточной для работы исполнитель­ ного устройства. '

Различают усилители мощности, напряжения, тока и ,т. д.

Под усилителем мощности обычно понимают усилитель, рас­ считанный на отдачу повышенной мощности во входную цепь сле­ дующего за ним элемента.

Если определяющим свойством усилителя является повыше­ ние, т. е. усиление напряжения, тока и т. д., то такой усилитель называют усилителем напряжения, тока и т. д.

Для усиления электрических сигналов используют усилители электронные, полупроводниковые, магнитные, релейные и другие, а для преобразования электрических сигналов постоянного тока в переменный и наоборот служат электронные и полупроводнико­ вые модуляторы и демодуляторы1.

Для усиления сигналов по перемешшию используют гидро- и пневмоусилители, которые конструктивно выполняются совмест­

182

§8.2. Принцип действия магнитного усилителя

Магнитный усилитель — это электромагнитное устройство, которое для усиления входного сигнала использует зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов на пере­ менном токе от величины постоянного подмагничивающего маг­ нитного поля.

Простейшая схема магнитного усилителя состоит из дросселя с замкнутым сердечником и дополнительной обмоткой Wy (рис. 8.1). Обмотка переменного тока Wp, называемая рабочей обмот­ кой, включена в цепь переменного тока последовательно с сопро­ тивлением нагрузки /?н. С нагрузки снимается выходное пере­ менное напряжение ивых. Дополнительная обмотка Wy, называе­ мая обмоткой управления, включена в цепь сигнала, который не­ обходимо усилить. Количество витков обмотки Wy может быть настолько большим, что даже незначительный ток в ней будет на­ магничивать сердечник до насыщения. Это приводит к уменьше­ нию магнитной проницаемости магнитопровода, что в свою оче­ редь вызывает уменьшение индуктивного сопротивления рабочей обмотки Wp. Поэтому ток в цепи нагрузки увеличивается и создается эффект усиления.

равно сумме падений напряжений на участках этой цепи (сопро­ тивлении нагрузки /?н и активном сопротивлении рабочей обмот­ ки R) и э. д. с. е, индуктируемой в рабочей обмотке при изменении потока. Обозначим напряжение на рабочей обмотке, уравновеши-

183

вающее э. д. с. е, через tiL. Очевидно, что uL равно по величине н противоположно по знаку э.д. с.—е, определяемой выражением

Пусть нагрузка в цепь не включена, а сопротивлением R (по сравнению с индуктивным сопротивлением рабочей обмотки) мож­ но пренебречь. Тогда из уравнения (8.1) определяем магнитную индукцию:

18-1

Таким образом, если известна величина и характер изменения на­ пряженности магнитного поля сердечника, можно считать извест­ ным и ток в его обмотке.

Построим кривую намагничивания сердечника (рис. 8.2). Пусть к обмотке W p (рис. 8.1) приложено синусоидальное напря­

8.2). Этой магнитной индукции соответствует также синусоидаль­ ная напряженность магнитного поля Н (в другом масштабе и ток I). Ток i в обмотке Wp, пропорциональный данной напряжен­ ности магнитного поля Н, образует ток холостого хода в магнит­ ном усилителе. Значит, чем круче ход кривой намагничивания, тем меньше ток холостого хода.

Подадим на обмотку управления входное постоянное напря­ жение Uy . Следовательно, появится постоянная составляющая магнитной индукции Вй. В таком случае общая магнитная индук-

185

дня равна В = В0-f- Втsin <о t, а соответствующая ей напряжен­ ность магнитного поля Я имеет несинусоидальный вид, значит, н ток г в обмотке Wp — иесинусоидалвный.

Из рис. 8.2 видно, что при подмагничивании сердечника по­ стоянным током, т. е. при наличии постоянной составляющей маг­ нитной индукции В0 растет величина переменной составляющей напряженности магнитного поля и величина переменного тока в рабочей обмотке Wp. Если увеличим Вл , то увеличится и пере­ менный ток в рабочей обмотке Wp. На этом явлении и основано действие магнитных усилителей.

Часто для удобства расчетов несинусоидальную напряжен­ ность поля Я заменяют эквивалентной по действующему значению синусоидальной напряженностью поля Ньт. В таком случае маг­ нитная проницаемость сердечника будет называться эффективной и определяться по формуле

новременном намагничивании сердечника переменным и постоян­ ным магнитными полями показано на рис. 8.3.

О

Рис. 8.3.

1 So

Изменение магнитной проницаемости сердечника вызывает изменение индуктивности рабочей обмотки, так как они менаду со­ бой связаны формулой

где Вт —- магнитная индукция в тесла.

Изменение индуктивности рабочей обмотки приводит к изменению ее индуктивного сопротивления, что в свою очередь изменяет ве­ личину тока в рабочей обмотке, так как он равен

Из рис. 8.3 видно, что с увеличением постоянного подмагничивающего поля (Hoi и В0), создаваемого постоянным током обмотки управления, уменьшается эффективная магнитная про­ ницаемость щ , значит, уменьшится индуктивность рабочей об­ мотки, и, как следствие, амплитуда переменного тока в рабочей обмотке увеличится.

Зависимость выходного тока магнитного усилителя от вход­ ного тока характеризуется статической характеристикой магнит­ ного усилителя, иногда называемой нагрузочной характеристикой

(см. рис. 8.4).

Магнитные усилители характеризуются коэффициентом пере­ дачи по мощности

187

и по напряжению

, и л - и и0 ku = ~ ! J ~ >

где Ру, Uу — мощность и напряжение входного сигнала; Р»> — мощность и напряжение на нагрузке;

Р„0, U,.0— мощность и напряжение на нагрузке при входном сигнале Uу= 0 .

Магнитные усилители по сравнению с другими усилителями обладают рядом преимуществ: они надежны в работе и долговеч­ ны, не нуждаются в предварительном разогреве и готовы к дейст­ вию немедленно после включения источника питания рабочей об­ мотки. Но -наряду с этим им присущ и существенный недоста­ ток — инерционность.

§ 8.3. Однотактные магнитные усилители

Однотактные магнитные усилители могут быть без обратной связи и с обратной связью, без смещения и со смещением. Рас­ смотрим сначала однотактный магнитный усилитель без обратной связи и без смещения. Такой магнитный усилитель, собранный на трехстержневом сердечнике, изображен на рис. 8.5. Поясним крат­ ко принцип его работы.

Допустим, что на обмотку управления Wy подали постоянное напряжение Uy, создающее магнитную индукцию Вй. Это же

18»

стоянного тока /0 в сердечнике возникает магнитное поле с напря­ женностью, например, Н0., = 2 а/см (риг. 8.3). Отложим величину магнитной индукции В0 на оси абсцисс и восставим к точке So перпендикуляр до пересечения с кривой, соответствующей напря­

При одновременном включении переменного напряжения и, подводимого к цепи рабочей обмотки, и постоянного напряжения Uy, подводимого к цепи обмотки управления, в сердечниках маг­ нитного усилителя возникают магнитные потоки: переменный Ф~ п постоянный Фу. Направление магнитных потоков показано на рис. 8.5 (направление переменного магнитного потока дано для одного из полупериодов переменного тока). В крайнем левом стержне сердечника общий суммарный поток Фл = Фу1-г Ф~, а в правом Ф„р = Фу2 —Ф~ .

индукция равна Вл = В0-\-В~, а в правом — ВЩ) = В0 — В ~ .

Отложим эти значения магнитной индукции на оси абсцисс (рис. 8.3) и получим на кривой (В/02 = 2 а/см для нашего (Jy) точки 2 и 3, которым соответствуют магнитные проницаемости рэ2 и р-э8 левого и правого сердечников соответственно. Отсюда видно, что индуктивное сопротивление левой рабочей катушки уменьшится, а правой катушки — почти не изменится. Значит, общее индуктив­ ное сопротивление двух последовательно соединенных рабочих катушек уменьшится, что, согласно формуле (8.5), приведет к уве­ личению тока в нагрузке.

В другой полупериод переменного напряжения и будем иметь Вл = В0 - В— иВпр = В0 | В~. Это приведет к тому, что в правом

сердечнике магнитная проницаемость окажется равной рэ2> а в левом — РэзСледовательно, ток в нагрузке /?,, возрастет на та­ кую же величину, как и в предыдущем полупериоде переменного напряжения.

В обмотке управления Wy однотактного магнитного усилите­ ля с трехстержневым сердечником (рис. 8.5) не наводится э. д. с. с частотой переменного напряжения и, так как переменный магнит­ ный поток Ф не заходит в средний стержень. Благодаря этому исключена возможность пробоя обмотки провода катушки Wy (в обмотке Wy рис. 8.1 наводится переменное напряжение с частотой источника и, что вызывает опасность пробоя).

189