4 Курс / ЭФУСА / ЭФУСА. Авдеев

для присвоения трансформаторам тока классов точности при проектировании и изготовлении. Поскольку в магнитных системах имеют место потери, связанные с намагничиванием и нагревом магнитопровода, вторичный ток оказывается меньше номинального у всех трансформаторов тока. В связи с этим для улучшения характеристик и внесения положительного смещения в погрешность преобразования применяют витковую коррекцию. А это означает, что коэффициент трансформации у таких откорректированных трансформаторов не соответствует привычной формуле, соотношений витков первичной и вторичной обмоток.

Графическое изображение трансформаторов тока представлено на рисунке 2.90 а, на рисунке 2.90 б – схема включения.

Рисунок 2.90 – Трансформатор тока:

а) условно–графическое обозначение; б) схема включения

Аналогичный метод измерений используется в датчиках, получивших название «пояс Роговского». Различие только в том, что «пояс Роговского» не имеет сердечника и поэтому его индуктивность меньше, чем у трансформаторов тока.

Преимущества:

наличие гальваническая развязка с высоким пробивным напряжением;

может измерять токи в несколько кА;

высокая точность измерений.

Недостатки:

работают на сетевой частоте и не могут использоваться в цепях постоянного тока;

изменяет фазу сигнала и требует компенсации.

2.16.4 Датчики на основе эффекта Холла

Датчики компенсационного типа и датчики прямого усиления основаны на использовании эффекта Холла, Генераторы Холла обладают определенной зависимостью чувствительности и начального выходного напряжения от температуры, тем не менее, эта зависимость может быть значительно компенсирована электронной схемой датчика тока.

Датчики прямого усиления используют эффект Холла. Магнитная индукция В и напряжение Холла, создаются измеряемым первичным током IP, который

161

необходимо преобразовать в выходной ток датчика. Ток управления подается с помощью стабилизированного источника тока.

При создании датчика тока открытого типа берется магнитопровод, пропускается через него провод измеряемой цепи и в разрез магнитопровода помещается датчик Холла (рисунок 2.91).

Рисунок 2.91 – Датчик тока на эффекте Холла открытого типа

Достоинством такого датчика является относительная простота. Недостатком – наличие подмагничивания сердечника, следовательно, повышение нелинейности показаний.

Датчики прямого усиления позволяют измерять номинальные токи от нескольких ампер до нескольких сотен килоампер с общей точностью в несколько процентов от номинального значения.

Датчики прямого усиления способны измерять постоянный, переменный ток и токи других форм с гальванической изоляцией. Они отличаются низкой потребляемой мощностью и уменьшенными геометрическими размерами, а также относительно небольшим весом, в особенности для диапазона больших токов. Они обеспечивают отсутствие внутренних потерь в измеряемой цепи и особенно устойчивы к перегрузкам. Эти датчики сравнительно недороги и в основном применяются в промышленности.

Датчики компенсационного типа, (также называемые датчиками с нулевым потоком) имеют встроенную компенсационную цепь, с помощью которой характеристики датчиков тока, использующих эффект Холла, могут быть существенно улучшены.

В то время как датчики прямого усиления дают выход напряжения, пропорциональный увеличенному напряжению Холла, компенсационные датчики обеспечивают выходной ток, пропорциональный напряжению Холла, который действует как сигнал обратной связи, чтобы компенсировать магнитное поле, создаваемое первичным током, магнитным полем, создаваемым полем выходного тока (рисунок 2.92).

162

Рисунок 2.92 – Датчик тока на эффекте Холла компенсационного типа

Диапазон компенсационных датчиков позволяет измерять номинальные токи от нескольких ампер до нескольких сотен килоампер с точностью около

1 %.

Компенсационные датчики способны измерять постоянный ток, переменный ток и токи иной формы с гальванической развязкой.

Они выделяются следующим:

–отличная точность;

–очень хорошая линейность;

–малый температурный дрейф;

–очень быстрое время отклика и широкий частотный диапазон;

–не приводят к дополнительным потерям в измерительной цепи.

Токовый выход этих датчиков особенно приспособлен к применению при наличии помех окружающей среды. При необходимости очень легко преобразовать сигнал датчика в напряжение. Датчики выдерживают перегрузки тока без повреждений. Эти датчики особенно хорошо подходят к промышленному применению, когда требуется высокая точность и широкий частотный диапазон. Основным недостатком этой технологии является потребление мощности на компенсацию тока. Кроме того, для диапазона высоких токов эти датчики более дорогие и имеют большие габариты по сравнению с аналогичными датчиками прямого усиления. Несмотря на это, датчики компенсационного типа являются относительно дешевыми, особенно для диапазона малых токов.

163

Достоинства:

широкий диапазон измеряемых токов с частотой до 50–100кГц и выше;

измеряет постоянный и переменный ток;

гальваническая развязка;

высокая точность;

низкий температурный дрейф;

линейность;

небольшие масса-габаритные показатели;

низкое энергопотребление.

Недостатки:

высокая стоимость.

164

РАЗДЕЛ 3. УСИЛИТЕЛИ

3.1Общие сведения об усилителях

3.1.1Типы усилителей

Выходные сигналы датчиков и других элементов во многих случаях оказываются слабыми и недостаточными для приведения в действие последующих элементов систем автоматического управления, например, реле, не говоря уже о таких исполнительных устройствах, как электродвигатели и тяговые электромагниты. Поэтому возникает необходимость усиления сигналов управления, измерения и контроля с помощью усилителей.

Усилитель – устройство для усиления входного сигнала (например, напряжения, тока или механического перемещения, колебания звуковых частот, давления жидкости или потока света), но без изменения вида самой величины и сигнала, до уровня достаточного для срабатывания исполнительного механизма (или регистрирующих элементов), за счёт энергии вспомогательного источника.

Усилители можно разделить на следующие типы:

1.Активный усилитель – усилитель, в котором усиление сигнала осуществляется за счёт энергии внешнего источника. В сервоприводах (гидро-, электро-, пневмоусилители) усиливается исходное механическое движение (как правило, оператора), за счёт внешней энергии. В электрических усилителях увеличивается амплитуда исходного сигнала (по напряжению и силе тока). В фотоумножителях усиливается интенсивность исходного светового потока. В активных усилителях часто используется обратная связь: положительная – для повышения чувствительности; отрицательная – для улучшения точности/стабильности.

2.Пассивный усилитель – усилитель, в котором усиление одной (необходимой) характеристики сигнала осуществляется за счёт уменьшения других характеристик. Например, домкрат (а также тисы, ручная таль, рычаг) является усилителем движения (силы) руки за счёт скорости (скорость (характеристика сигнала) уменьшается). Виды пассивных усилителей:

2.1.резонаторы и экраны – усилители, применяемые для усиления

периодических (гармонических) колебаний в приёмниках и передатчиках звуковых и радиоволн, выполняющие усиление рабочей полосы в выбранном направлении за счёт уменьшения общей полосы и других направлений приёма/излучения;

2.2.зеркала и линзы – усилители для оптики, выполняющие

усиление для выбранного участка (угла) наблюдения/освещения в ущерб остальным (участкам, углам). К таким усилителям относятся все оптические системы от лупы до телескопа;

2.3.системы с накоплением энергии – усилители, в которых

большую часть времени происходит только накопление энергии сигнала (подаваемой относительно равномерно), и меньшую часть времени (чаще – импульсно) происходит отдача накопленного и усиленного сигнала на выходе. К

165

таким усилителям относят молоток, преодоление крутой горки автомобилем «с разгона», систему зажигания (катушку зажигания) бензиновых двигателей, рубиновые лазеры, гидротаранный насос.

В зависимости от вида энергии, получаемой от дополнительного источника питания, различают электрические, пневматические, гидравлические, механические и другие усилители.

Наиболее широкое применение находят электрические усилители, так как они обладают высокой чувствительностью, допускают сравнительно простую регулировку коэффициента усиления, хорошо сочетаются с электрическими исполнительными устройствами (двигателями, электромагнитами и т.п.).

По принципу действия электрические усилители делятся на две группы. Первую весьма большую группу составляют усилители, в основу которых положен усилительный элемент (электронная лампа, транзистор, управляемая индуктивность, управляемая емкость). В таких усилителях маломощный входной сигнал управляет передачей гораздо большей энергии от источника питания в полезную нагрузку, присоединенную к выходу усилителя. В соответствии с типом управляющего (усилительного) элемента различают ламповые, транзисторные, магнитные, диэлектрические усилители. Ламповые и транзисторные усилители часто объединяют названием электронные усилители, так как принцип их действия основан на электронных процессах в вакууме и полупроводнике.

Электронные усилители можно разделить по следующим признакам:

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

–диапазону частот – электрометрические, постоянного тока, низкой частоты, радио– и промежуточных частот, СВЧ;

–ширине полосы частот – узкополосные, широкополосные; виду сигнала – гармонические, импульсные;

–электрическому параметру – напряжение, ток, мощность; типу нагрузки – резисторные, резонансные.

Вторую группу составляют усилители, в которых происходит преобразование энергии питания, отличной от вида энергии выходного и управляющего сигналов. Наиболее типичным для этой группы является электромашинный усилитель, в котором механическая энергия привода преобразуется в электрическую энергию.

По характеру усиливаемых электрических сигналов различают усилители непрерывных сигналов различных величин и форм и импульсные усилители, предназначенные для усиления импульсных периодических и непериодических сигналов.

По частоте усиливаемых сигналов различают усилители переменного тока,

усиливающие сигналы в полосе частот от нижней рабочей частоты fH > 0 до верхней рабочей частоты, но не усиливающие их постоянную составляющую;

усилители постоянного тока, усиливающие в полосе частот от нуля (fH = 0) до fB как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую.

166

Управляющий (усилительный) элемент вместе с резисторами, конденсаторами и другими деталями схемы принято называть усилительным каскадом. При недостаточном усилении сигнала одним каскадом используется соединение нескольких каскадов, выполняющих роль предварительного усиления и обеспечивающих работу мощного выходного каскада. Исходя из этого, различают однокаскадные и многокаскадные усилители. Каскады нумеруются в возрастающем порядке от входа к выходу усилителя, при этом первый каскад от входа называется входным, а последний – выходным (оконечным).

Усилители на базе полупроводниковых приборов изучаются на дисциплине «Судовая электроника и силовая преобразовательная техника», поэтому в данном пособии они не рассматриваться.

3.1.2 Параметры и характеристики усилителей

Основными параметрами усилителей являются: 1. Входные и выходные данные:

входные

–номинальные входное напряжение UВх;

–входной ток IВх;

–входное сопротивление RВх;

–входная мощность:

PВх = UВхIВх.

выходные

номинальные выходное напряжение UВых;

выходной ток IВых;

выходное сопротивление RВых; выходная мощность:

PВых = UВыхIВых.

2. Коэффициенты усиления: по напряжению

KU UВых ; UВх

по току

KI IIВых ;

Вх

по мощности

KP PВых KU KI .

PВх

3.Коэффициент полезного действия

PВых ,

Pп

где Рп – мощность, потребляемая от источника питания.

167

4. Динамический диапазон

D UВх.макс ,

UВх.мин

где UВх.макс – максимально допустимое входное напряжение, превышение которого вызывает недопустимые нелинейные искажения сигнала; UВх.мин –

минимальное входное напряжение, ниже которого выходной сигнал невозможно различить на фоне собственных помех усилителя.

Для оценки прохождения через усилитель синусоидального сигнала используется комплексный коэффициент усиления. Например, комплексный коэффициент усиления по напряжению представляет собой отношение

комплексных амплитуд ( UВыхm и UВхm ) или действующих значений ( UВых и UВх ) выходного и входного напряжений:

KU j UВых KU ej

UВх

где φ – угол сдвига фазы между выходным и входным напряжениями, – круговая частота входного сигнала.

При замене j на комплексную переменную p получается передаточная функция усилителя. Например, передаточная функция по напряжению может быть записана как:

KU p UВых p .

UВх p

Основными характеристиками усилителя являются:

1. Амплитудная характеристика UВых=f (UВх) – это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока) Примерная амплитудная характеристика представлена на рисунке 3.1.

Идеальная

2

1

Рисунок 3.1 – Амплитудная характеристика усилителя

Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при UВx=0, точка 2 – минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов. Участок 2 − 3 – это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным

168

напряжениями усилителя. После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала.

Амплитудная характеристика снимается в установившемся режиме работы чаще всего при подаче на вход синусоидального, а иногда – медленно изменяющегося сигнала. Рабочим участком характеристики является её практически линейный участок при UВх UВх.макс.

2. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты. Типовая АЧХ приведена на рисунке

3.2.

K

K0 0,707K0

Рисунок 3.2 – Амплитудно–частотная характеристика

3. Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) – это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Типовая ФЧХ приведена на рисунке 3.3.

φ

Рисунок 3.3 – Фазо-частотная характеристика

Частоты fн и fв называются нижней и верхней граничными частотами, а их разность (fн − fв) – полосой пропускания усилителя. При усилении гармонического сигнала достаточно малой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не возникает. При усилении сложного входного сигнала, содержащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются усилителем неодинаково, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это приводит к искажению формы усиленного сигнала.

АЧХ и ФЧХ называются частотными характеристиками усилителя, обычно при их построении частота откладывается в логарифмическом масштабе, т. е. по оси частот в равномерном масштабе откладывается lg . При этом низкочастотная область характеристик растягивается по оси частот, а

169

высокочастотная область сжимается. Коэффициент усиления также часто выражают в логарифмических единицах – децибеллах (дБ):

KU(дБ) = 20×lgKU .

Аналогично в децибеллах выражается коэффициент усиления по току:

KI(дБ) = 20×lgKI ,

а коэффициент усиления по мощности:

KP(дБ) = 10×lgKP = 10×lg(KUKI) = 10×lgKU + 10×lgKI .

Из рисунков 3.2 и 3.3 следует, что существует диапазон частот, в котором модуль коэффициента усиления мало зависит от частоты, называемый областью средних частот, или полосой пропускания усилителя. В этом диапазоне частот фаза приблизительно линейно зависит от частоты . Вне области средних частот коэффициент усиления отклоняется от значения KU0 в сторону уменьшения. Для количественной оценки протяженности области средних частот вводят граничные частоты (низшую н и высшую в), на которых модуль коэффициента усиления KU уменьшается по сравнению со значением на средних частотных KU0 соответственно в Мн и Мв раз. Часто принимают Мн = Мв = 2 .

Числа Мн и Мв называются коэффициентами частотных искажений. Коэффициент частотных искажений на произвольной частоте определяется как:

M( ) = KU0/KU( ).

4. Переходная характеристика – зависимость мгновенного значения выходного напряжения при подаче на вход усилителя скачка напряжения; этой характеристикой пользуются для оценки усилителей импульсных сигналов.

На переходной характеристике можно выделить быстроизменяющуюся часть – фронт – длительностью tф и медленно изменяющуюся часть – вершину. Оказывается, что длительность фронта tф примерно обратно пропорциональна высшей граничной частоте в , т. е. частота в определяет быстродействие усилителя.

Низшая граничная частота н связана со спадом вершины выходного импульса: чем больше частота н, тем больше спад вершины. Поэтому в усилителе постоянного тока нет спада вершины.

Характеристики управления усилителей (рисунок 3.4) чаще всего нелинейные и могут быть, в частности, с зонами нечувствительности и насыщения; с зонами нечувствительности, насыщения и неоднозначностью; релейного типа. По форме эти характеристики аналогичны некоторым характеристикам управления, приведенным ранее. Следует отметить, что от усилителя в ряде случаев требуется существенно нелинейная (релейная) зависимость между выходной и входной величинами. В релейном режиме практически может работать любой усилитель, при этом часто используется релейный режим работы электронных и магнитных усилителей. Так, например, транзисторные усилители в релейном режиме широко применяются в системах импульсного управления электродвигателями и электромагнитными механизмами.

170