- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
- •1.1. Полупроводники
- •1.2. Электронно-дырочной переход (p-n переход)
- •1.3. Полупроводниковые диоды
- •1.4. Биполярные транзисторы
- •1.5. Полевые транзисторы
- •1.6. Элементы интегральных схем
- •1.7. Силовые полупроводниковые приборы
- •2. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА — УСИЛИТЕЛИ СИГНАЛОВ
- •2.1. Основные параметры и характеристики
- •2.2. Усилители на биполярных транзисторах
- •2.3. Усилители на полевых транзисторах
- •2.4. Усилители с обратной связью
- •2.5. Усилители мощности
- •2.6. Усилители постоянного тока
- •2.7. Дифференциальные усилители
- •2.8. Операционные усилители
- •3. ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
- •3.1. Сигналы цифровых устройств
- •3.2. Алгебра логики
- •3.3. Транзисторные ключи
- •3.3.1. Ключи на биполярных транзисторах
- •3.3.2. МДП-транзисторные ключи
- •3.4. Логические интегральные микросхемы
- •3.4.1. Общие сведения
- •3.4.2. Базовые элементы логических интегральных микросхем
- •3.5. Комбинационные устройства
- •3.5.1. Дешифраторы и шифраторы
- •3.5.2. Распределители и коммутаторы
- •3.5.3. Цифровой компаратор
- •3.6. Последовательностные устройства
- •3.6.1. Триггеры. Общие сведения
- •3.6.2. Транзисторные триггеры
- •3.6.3. Интегральные триггеры
- •3.6.4. Счетчики
- •3.6.5. Регистры
- •3.7. Полупроводниковые запоминающие устройства
- •4. ГЕНЕРАТОРЫ И ФОРМИРОВАТЕЛИ СИГНАЛОВ
- •4.1. Генераторы синусоидальных колебаний
- •4.1.1. Генераторы LC-типа (LC-генераторы)
- •4.1.2. Кварцевые генераторы
- •4.1.3. Генераторы RC-типа (RC-генераторы)
- •4.2. Генераторы прямоугольных импульсов
- •4.3. Генераторы линейно изменяющегося напряжения и тока
- •5. УСТРОЙСТВА И ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИКИ
- •5.2. Датчики различной физической природы
- •5.3. Аналоговые компараторы
- •5.4. Устройства сопряжения микропроцессорных систем с объектами
- •5.4.1. Аналого-цифровые преобразователи
- •5.4.2. Цифро-аналоговые преобразователи
- •5.5. Релейные схемы
- •5.5.1. Электромагнитные контактные реле. Общие сведения и основные параметры
- •5.5.2. Электронные реле
- •5.5.3. Фотоэлектронные реле
- •5.5.4. Электронные реле на тиристорах
- •5.6. Магнитные усилители, их назначение и классификация
- •5.7. Микропроцессоры
- •6. ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
- •6.1. Выпрямители
- •6.1.1. Определение и параметры выпрямителя
- •6.1.2. Схемы выпрямителей
- •6.2. Сглаживающие фильтры
- •6.2.1. Активные фильтры на транзисторах
- •6.2.2. Активные фильтры на операционных усилителях
- •6.3. Стабилизаторы напряжения
- •6.3.1. Виды стабилизаторов и основные характеристики
- •6.3.2. Параметрические стабилизаторы напряжения
- •6.3.3. Стабилитронные интегральные микросхемы (СИМС)
- •6.4. Компенсационные стабилизаторы напряжения
- •6.4.1. Компенсационные стабилизаторы напряжения на транзисторах
- •6.5. Импульсные источники питания
- •6.5.1. Виды и особенности импульсных источников питания
- •6.5.2. Импульсные стабилизаторы напряжения
- •ПРИЛОЖЕНИЕ
- •СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
- •СОДЕРЖАНИЕ
Рис. 5.34. Схема бесконтактного реле триггерного типа на тринисторах
Схема бесконтактного реле триггерного типа на тринисторах приведена на рис. 5.34. Переключение схемы осуществляется подачей импульса тока в цепь управляющего электрода закрытого тринистора. Принцип работы этой схемы не отличается от принципа работы схемы на динисторах.
5.6. Магнитные усилители, их назначение и классификация
Исполнительные устройства систем автоматического регулирования обычно вырабатывают маломощные сигналы управления. Непосредственно онинемогутпривести вдействие исполнительные механизмы. Малая мощность сигналов объясняется стремлением уменьшить влияние нагрузки на точность преобразований, а также конструктивными особенностями и физической природой исполнительных устройств.
Чтобы получить мощность, необходимую для работы исполнительных устройств, применяют магнитные усилители. Они практически нечувствительны к вибрациям и механическим воздействиям, позволяют получить на выходе значительные токи, удобны в эксплуатации, сравнительно недороги и очень надежны.
Взависимости от характера физических процессов, определяющих принцип работы магнитного усилителя, различают дроссельные и трансформаторные магнитные усилители.
Вдроссельных усилителях рабочая обмотка (обмотка переменного тока) выполняет функцию дроссельной «заслонки», ограничивающей ток в нагрузке, включенной (обычно последовательно)
вцепь рабочей обмотки.
Втрансформаторных усилителях цепь нагрузки электрически не связана с цепью питания. Передача энергии из цепи питания в цепь нагрузки осуществляется за счет магнитной связи между ними. Воздействуя на общий магнитный поток, сцепленный с витками обмо-
250
ток цепей питания и нагрузки, можно изменять мощность, передаваемую в цепь нагрузки.
Как дроссельные, так и трансформаторные усилители могут быть собраны по однотактной или двухтактной схеме. В однотактных магнитных усилителях фаза тока в нагрузке не зависит от полярности входного сигнала. В двухтактных магнитных усилителях фаза тока в нагрузке меняется на 180 ° при изменении полярности тока в обмотке управления.
В зависимости от типа обратной связи различают магнитные усилители с внешней обратной связью, у которых выпрямленный рабочий ток проходит по специальной обмотке обратной связи, и магнитные усилители с внутренней обратной связью, у которых постоянная составляющая рабочего тока проходит по той же рабочей обмотке (дополнительная обмотка отсутствует).
Двухтактный магнитный усилитель может быть собран по дифференциальной схеме с подмагничиванием и с обратной связью, а также по мостовой схеме.
Рассмотрим принцип действия дроссельного магнитного усилителя. Ферромагнитный материал, из которого изготовляются магнитопроводы магнитных усилителей, можно представить состоящим из отдельных малых областей (доменов), самопроизвольно намагничивающихся в различных направлениях.
При наложении на магнитопровод магнитного поля обмотки эти намагниченные области («магнитки») ориентируются преимущественно вдоль силовых линий внешнего поля. В результате общий магнитный поток резко возрастает. При изменении полярности тока в обмотке «магнитки» поворачиваются и направление общего магнитного потока в магнитопроводе изменяется на обратное.
Будем называть магнитодвижущей силой (МДС) Аω произведение токавобмоткеначисловитков. Этавеличинапропорциональна току, таккакчисловитковобмоткиобычнопостоянно.
На рис. 5.35 изображена полученная опытным путем зависимость магнитного потока в магнитопроводе от количества ампервитков его обмоток. Это усредненная кривая, характерная для магнитомягких материалов.
На рис. 5.36 изображен магнитопровод, на который намотаны две обмотки: рабочая ωp , питаемая синусоидальным напряжением, и управляющая ωу , к которой подводится усиливаемое напряжение.
251
Рис. 5.35. Зависимость намагничивания |
Рис. 5.36. Схема дроссельного |
сердечника от количества ампервитков |
магнитного усилителя |
Предположим, что управляющая обмотка обесточена, а МДС рабочей обмотки изменяется по синусоидальному закону от +Аωр до –Аωр. При этом магнитный поток в магнитопроводе изменяется на ∆Ф (см. рис. 5.36).
Предположим, что через управляющую обмотку проходит ток и ее МДС равна некоторому значению Аωу. МДС рабочей обмотки изменяется в прежних пределах от +Аωр до –Аωр. При этом магнитный поток в магнитопроводе изменяется на ∆Ф′. Из рис. 5.36 видно, что ∆Ф′ значительно меньше ∆Ф.
Таким образом, в первом случае скорость изменения магнитного потока будет большой, во втором — незначительной. ЭДС самоиндукции рабочей обмотки, пропорциональная скорости изменения магнитного потока (закон электромагнитной индукции), в первом случае будет значительно больше, чем во втором. Эта ЭДС, направленная навстречу приложенному напряжению, и ограничивает ток в цепи. При постоянно действующем значении синусоидального напряжения питания в первом случае ток в рабочей обмотке будет меньше, чем во втором.
Изменяя магнитное состояние магнитопровода, можно менять ток в рабочей обмотке, а следовательно, и в нагрузке Zн , которая включена последовательно с ωр .
Пока магнитопровод не насыщен, основная часть напряжения питания тратится на преодоление ЭДС самоиндукции рабочей об-
252
мотки, падение напряжения на нагрузке невелико, ток нагрузки мал. Когда магнитопровод переходит в насыщенное состояние, ЭДС самоиндукции рабочей обмотки практически исчезает и все напряжение питания оказывается приложенным к нагрузке. Ток в нагрузке возрастает.
На рис. 5.37 изображена зависимость тока в нагрузке (рабочего тока) Iр от тока в обмотке управления Iу . Из рисунка видно, что с уве-
личением тока управления Iу , т.е. по мере насыщения магнитопровода и уменьшения ЭДС самоиндукция рабочей обмотки увеличивает ток в нагрузке Iр . При этом небольшие изменения тока Iу вызывают значительные изменения рабочего тока. Следовательно, устройство работает как усилитель.
В действительности картина физических процессов несколько сложнее. В современных магнитных усилителях применяются магнитопроводы с прямоугольной кривой намагничивания. Они либо сразу размагничиваются, либо полностью насыщаются.
Поэтому перераспределение напряжения питания между рабочей обмоткой и нагрузкой происходит в течение каждого периода. Например, в течение четверти каждого периода напряжение питания приложено к нагрузке, а в течение 3/4 периода гасится на рабочей обмотке (рис. 5.38).
Изменяя ток управления в обмотке ωу, это распределение можно изменить, увеличив или уменьшив часть периода, в течение которого напряжение приложено к нагрузке, а следовательно, увеличив или уменьшив (в среднем) ток в нагрузке.
Дроссельный магнитный усилитель сравнительно прост как по устройству, так и по принципу работы. Однако его
253
применение в системах автоматического регулирования ограничено, так как ему присущ ряд недостатков. Прежде всего отметим существенную нелинейность зависимости тока в нагрузке от тока управления (см. рис. 5.37). Так, при токе управления Iу = 0 ток в нагрузке Iр ≠ 0. Этот нулевой ток I0 увеличивает погрешность регулирования и потери мощности. Другой недостаток дроссельного усилителя — сравнительно низкий коэффициент усиле-
Рис. 5.39. Схема трансформа- ния. Кроме того, во многих случаях торного магнитного усилителя существенно и то, что дроссельный
усилитель не реагирует на полярность сигнала управления. Эти недостатки устранены в более сложных схемах магнитных усилителей.
Рассмотрим принцип действия трансформаторного магнитного усилителя, схема которого изображена на рис. 5.39. Синусоидальное напряжение питания подводится к обмотке ω1 , а нагрузка Zн включена в цепь специальной обмотки ω2 .
Пока сердечник не насыщен, синусоидальный ток, проходящий по обмотке ω1 , вызывает значительные изменения магнитного потока в магнитопроводе. Переменный магнитный поток, пронизывая виткиобмотки ω2 , наводитвэтойобмоткеЭДС, котораяиспользуется при питании нагрузки Zн . Чем больше скорость изменения магнитного потока, тем больше наведенная ЭДС и ток в нагрузке.
Когда происходит насыщение магнитопровода, скорость изменения магнитного потока резко уменьшается, ЭДС, индуцируемая во вторичной обмотке ω2 , становится небольшой, соответственно уменьшается и ток в нагрузке.
Рабочая характеристика трансформаторного магнитного усилителя (зависимость рабочего тока от тока управления) изображена на рис. 5.40. Видно, что с увеличением тока управления Iу ток в нагрузке Iр уменьшается.
Рабочие характеристики дроссельного и трансформаторного усилителей являются как бы зеркальным отображением друг друга.
254
Это объясняется тем, что ЭДС, индуцируемая в цепи нагрузки, в одном случае играет роль «заслонки», а в другом — источника питания нагрузки.
Рассмотрим влияние обратной связи на коэффициент усиления магнитного усилителя. Для характеристики усилительных свойств вводят коэффициенты усиления по току kI , по напряжению ku , по мощности kр. Коэффициентом
усиления магнитного усилителя по току называют отношение изменения действующего значения рабочего тока к соответствующе-
му изменению тока управления (полагаем Iн = Iр):
kI = ∆I р .
∆I у
Аналогично: |
∆U р |
|
∆Pp |
|
||
ku = |
; kp = |
, |
||||
∆U |
у |
∆P |
||||
|
|
|
у |
|
где Uр — напряжение на нагрузке; Uу — управляющее напряжение; Рр — мощность, выделяемая в нагрузке; Ру — мощность, потребляемая цепью управления.
Для магнитных усилителей справедливо (с достаточной степенью точности) следующее равенство:
∆Ιpωp = ∆Ιуωу .
С учетом этого равенства выражение для коэффициента усиления по току можно представить в виде
kI = ωу .
ωр
Коэффициент усиления по току магнитных усилителей, собранных по схемам, изображенным ранее, составляет несколько десятков единиц.
255
Приведенные формулы показывают, что коэффициенты усиления магнитного усилителя теоретически не зависят, а практически очень мало зависят от колебаний напряжения, частоты источника питания и изменений сопротивления нагрузки. Такая стабильность характеристик позволяет использовать в магнитном усилителе глубокую положительную обратную связь ПОС.
Обратной связью называют подачу сигнала с выхода усилителя на его вход. В магнитных усилителях наибольшее распространение получила обратная связь по току (рис. 5.41).
Обмотка обратной связи ωос намотана на том же стержне, что и обмотка управления. Если магнитный поток обмот-
ки обратной связи усиливает магнитный поток обмотки управления, то обратная связь называется положительной, в противном случае — отрицательной. Изменить характер обратной связи можно, поменяв полярность управляющего напряжения.
При наличии положительной обратной связи уравнение магнитного усилителя принимает вид:
|
|
|
I рωр = I уωу + I рωос . |
||||||||||
Отношение kос = |
ùос |
называют коэффициентом обратной свя- |
|||||||||||
|
|
||||||||||||
зи. При этом |
ù р |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
I y |
|
ωy |
|
|
|
|
|
|
I p = |
|
I yωy |
= |
|
ωp |
|
= |
|
I у kI |
|
|||
|
|
|
|
|
|||||||||
|
ωp − ωoc |
|
ωoc |
|
1 − koc . |
||||||||
|
|
1 − |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
ωр |
|
|
|
|
|
Коэффициент усиления по току усилителя с обратной связью:
kосI = |
∆I p |
= |
|
kI |
. |
|
∆I у |
1−kос |
|||||
|
|
|
256
Если kос → 1, т.е. число витков обмотки обратной связи приближается к числу витков рабочей обмотки, коэффициент усиления усилителя с обратной связью увеличивается и стремится к бесконечности. Это значит, что бесконечно малым изменениям тока управления соответствуют конечные (скачкообразные) изменения рабочего тока.
Обычно kос ≤ 0,99, так как при слишком большом коэффициенте усиления нарушается стабильность параметров усилителя. Кроме того, положительная обратная связь увеличивает рабочий ток при отсутствии тока в управляющей обмотке I0 в1(1−koc) раз.
При изменении полярности управляющего сигнала положительная обратная связь становится отрицательной. Вследствие этого характеристика усилителя с обратной связью приобретает несимметричную форму. Действительно, при отрицательной обратной связи уравнение магнитного усилителя и выражение для коэффициента усиления по току записываются в следующем виде:
I pωp = I yωy − I pωoc ; kocI |
= |
|
|
kI |
= |
∆I p |
|
1 |
+ koc |
|
. |
||||
|
|
|
∆I y |
Из рис. 5.42 видно, что коэффициент усиления по току можно представить как тангенс угла наклона линейного участка к оси абсцисс. При этом
tgα = |
∆I 'p |
= |
|
|
kI |
; |
||||
∆I 'y |
1 − koc |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||
tgβ = |
|
∆I ''p |
|
= |
|
|
kI |
|
. |
|
|
∆I '' y |
|
|
|
1 + koc |
Поскольку из последних выражений следует, что tg αj tgâ , то ясно, что правая ветвь характеристики магнитного усилителя идет круче, чем левая, как это и показано на рис. 5.42.
Рис. 5.42. Рабочая характеристика дроссельного магнитного усилителя с обратной связью
257