Раздел 4. Усилители
4.1Общие сведения об усилителях
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.
Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения мощности сигнала за счет энергии АТ дополнительного источника питания; при этом выходная (усиленная) величина у является функцией входного сигнала х и имеет одинаковую с ним физическую природу. Усилители относятся к активным элементам автоматики (рисунок 4.1, б).
В зависимости от вида энергии, получаемой от дополнительного источника питания, различают электрические, пневматические, гидравлические, механические и другие усилители.
Наиболее широкое применение находят электрические усили¬тели, так как они обладают высокой чувствительностью, допус¬кают сравнительно простую регулировку коэффициента усиления, хорошо сочетаются с электрическими исполнительными устрой¬ствами (двигателями, электромагнитами и т.п.).
Рисунок 4.1 - Функциональные схемы элементов САУ: а — пассивный элемент (Э); б — активный элемент Э (усилитель); в — элемент с обратной связью (ОС)
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;
67
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.
На рисунок 4.2 показаны диапазоны частот различных типов усилителей. 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.
Рисунок 4.2 - Диапазоны частот различных типов усилителей
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.
Управляющий (усилительный) элемент вместе с резисторами, конденсаторами и другими деталями схемы принято называть уси-лительным 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).
Основными характеристиками и параметрами усилителей систем автоматического управления являются характеристика управления, динамические характеристики, коэффициент усиления мощности, входное и
68
выходное сопротивления, коэффициент полезного действия (для выходных каскадов), уровень собственных шумов.
Характеристики управления усилителей (рисунок 4.3) 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.
Рисунок 4,3 - Характеристики управления элементов: а — непрерывная нелинейная; б — с ограниченной зоной линейности; в — с зоной
нечувствительности; г — с зонами нечувствительности и насыщения; д— релейная с зоной нечувствительности; е — идеальная релейная; ж — с зоной нечувствительности и неоднозначностью; з — с неоднозначностью; и — с петлей гистерезиса
69
4.2Магнитные усилители
Принцип действия МУ основан на свойстве ферромагнитных материалов изменять свою магнитную проницаемость при подмагничивании их полем.
Достоинства: отсутствие движущихся частей, нечувствительность к перегрузкам, высокий коэффициент усиления, возможность суммирования нескольких сигналов, возможность усиления сигналов малой мощности до10 – 13 Вт.
Недостатки: инерционность достигает несколько десятков долей секунды, большой вес и габариты.
Высокий коэффициент за счет положительной обратной связи. Без обратной связи МУ применяется редко. По виду статической характеристики МУ In=f(Iy) различают одноплечевые (однотипные нереверсивные МУ) и двухплечевые (двухтактные реверсивные МУ). В одноплечевых МУ нельзя добиться, чтобы при Iy=0 In тоже было равно 0. Также одноплечевые МУ нечувствительны к полярности входного сигнала.
От этих недостатков свободны двухплечевые МУ. При изменении полярности Iy ток нагрузки меняет свое направление на 1800.
Схема МУ может быть построена с выходом на переменный или постоянный ток. Ориентировочные данные для выбора МУ по мощности входного сигнала для МУ различных типов:
1.Одноплечевые без обратной связи Рвх от 10-3 до 104 Вт
2.С обратной связью Рвх от 10-6 до 104 Вт
3.Двухплечевые МУ с выходом на переменное напряжение Рвх от 10-10 до
102 Вт
4.Двухплечевые МУ с выходом на постоянное напряжение Рвх от 10-10 до
10-2 Вт
5.Усилители напряжения с выходом на основной участок
Рвх от 10-12 до 10-4 Вт Простейшая схема МУ – дроссель насыщения представлена на рисунок
4.4.
Рисунок 4.4 – Дроссель насыщения |
I н |
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
xL 2 f Lp |
|
|
|
|
|
|
2 |
2 |
|
||||
Z p |
|
|
; |
Z p |
rLp |
xLp |
; |
|
|||
|
|
Z H |
|
|
|
|
|
||||
L |
Ф |
W |
|
при Ф = i = const |
|
|
|
||||
i |
i |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
70 |
|
|
При увеличении Iy > Iн |
Рисунок 4.5 – Различные варианты магнитных усилителей Исходные данные:
1.Параметры нагрузки МУ: I, U, P, R, cos (I )
2.Параметры выходной нагрузки МУ: I, U, P, R
3.Коэффициент усилия МУ по P и I
4.Схема выключения
5.Условия работы: t0, влажность, изменение напряжения
6.Дополнительные требования: режим работы усилителя, типы
датчиков
7.Параметры источника питания: U, f, P
Дополнительные данные:
1.Режим работы усилителя (усилительное реле, сумматор), типы
датчиков
2.Параметры источника питания: U, f, P
Порядок расчета:
1. По характеристикам = f (Вмах, Н0) для принятого материала магнитопровода. Находят В - значение переменной, составляющей индукции, соответствующий максимальной магнитной пропорции при отсутствии подмагничивания постоянным полем (Н0=0)
Вмах-1,5-1,3 В Сталь берем Э310, Э320 (для этих материалов графики даны в таблице).
2. Выбирают ориентировочно значение подмагничивающего поля Н0мах в зависимости от МА магнита и отсутствия или наличия обратной связи.
При наличии ПОС Н0мах можно принимать для маломощных МУ с сердечниками сплава типа мармалоя Н0мах =2,5-4А/см средней мощности и сплава перминвала Н0мах =8/12 А/см.
Сердечник из стали Э310 и др. Н0мах =28/44 А/см.
3. По кривым зависимости Ру=f(tg / Н0мах), построенного для найденного значения Вмах находится мах значение удельной мощности. Напряжение составляет ему значение tg - величина пропорциональная Rн, а сам угол - угол наклона нагрузочной линии к оси абсцисс, чем больше , тем больше потери.
4. Определяются Нк – переменная составляющего поля соответствует Iкз и Нмах –наиболее значимой переменной составляющего поля и окончательно
71
уточняется значение Н0мах. Эти величины находятся графическим путем, построением статической характеристики МУ по семейству кривых одновременного намагничивания = U I
5. По заданной величине Рнагр определяют объем стали одного сердечника
Vст 0,55RH [см3]
mPудмах
M=0,85 – при необходимости получения Рнагр в пределах линейного участка статической характеристики этот коэффициент используется
6.По известной Vст выбирают вид сердечника и определяют его размеры. S-сечение, l средняя длина силовой линии для переменной
составляющей магнитного потока – l0 средняя длина силовой линии для постоянной составляющей магнитного потока равна составляющей магнитного потока. Форма выбирается прямоугольной, Ш–обрразной или тороидальной.
Первые два типа из штампованной пластины, 3 витой из стальной ленты.
7.По заданной RH и fпит сети и найденным Вмах, Нк, S, l определим число витков рабочей обмотки
W ~ |
|
R |
H |
l H |
K |
104 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[витков] |
||
|
|
2 Bmax |
|
f S |
|
||||
|
|
|
|
||||||
8.По значениям W ~ , l и Нмах заданному Iр задаются плотностью тока
иопределяют диаметр провода Wp
d ~ |
|
2.5Hmax |
l |
|
; мм |
W ~ j |
|
|
|||
|
|
|
|
|
При ПВ =100%. Плотность тока j=2,5-3 А/см2
9.Определяют напряжение питания МУ
U=4.44 ВмахfSW~*10-4, [В]
Так как Rp малое, то U=E, E=4.44 ВмахfSW~
10. По известным Н0мах, l0 и заданному сигналу Iy или заданному IH и Kj выбирается коэффициент обратной связи (если она есть) и определяют число
витков обмотки управления.
При отсутствии обратной связи
W |
|
|
l0 H 0 max |
|
ki |
l0 H 0 max |
|
y |
|
I y |
I H |
||
|
|
|
||||
С обратной связью
W |
|
|
l0 H 0 max |
ki (1 koc ) |
|
l0 |
H 0 max (1 koc ) |
||
y |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
I H |
|
|
|
|
I0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
I H |
|
2 H max |
l |
|
|
|
|
|
|
W ~ |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
11.Определяем диаметр провода обмотки управления
d y |
|
|
4 I y max |
|
j |
|
|||
|
|
|
|
12.Производят конструктивный расчет катушки
72