153

5. ПІДСИЛЮВАЛЬНІ ЕЛЕМЕНТИ

Систем автоматики

5.1 Класифікація підсилювачів

Вихідні сигнали датчиків і інших елементів в багатьох випадках виявляються слабкими і недостатніми для приведення в дію наступних елементів систем автоматичного управління, наприклад реле, не кажучи вже про такі виконавчі пристрої, як електродвигуни та тягові електромагніти. Тому виникає необхідність посилення сигналів управління, вимірювання і контролю за допомогою підсилювачів.

Підсилювачем називається пристрій, призначений для збільшення потужності сигналу за рахунок енергії N додаткового джерела живлення; при цьому вихідна (посилена) величина у є функцією вхідного сигналу x і має однакову з них фізичну природу. Підсилювачі відносяться до активних елементів автоматики (рис. 5.1, б).

Залежно від виду енергії, одержуваної від додаткового джерела живлення, розрізняють електричні, пневматичні, гідравлічні, механічні та інші підсилювачі.

Найбільш широке застосування знаходять електричні підсилювачі, так як вони володіють високою чутливістю, допускають порівняно просте регулювання коефіцієнта посилення, добре поєднуються з електричними виконавчими пристроями (двигунами, електромагнітами і т.п.).

а – пасивний елемент (Е); б – пасивний елемент (Е);

в – елемент (Е) зі зворотним зв’язком (ЗЗ)

Рисунок 5.1 – Функціональні схеми елементів САУ

За принципом дії електричні підсилювачі діляться на дві групи. Першу досить велику групу складають підсилювачі, в основу яких покладено підсилювальний елемент (електронна лампа, транзистор, керована індуктивність, керована ємність). У таких підсилювачах малопотужний вхідний сигнал управляє передачею набагато більшої енергії від джерела живлення до корисного навантаження, приєднаного до виходу підсилювача. У відповідності з типом керуючого (підсилювального) елемента розрізняють лампові, транзисторні, магнітні, діелектричні підсилювачі. Лампові і транзисторні підсилювачі часто об'єднують назвою електронні підсилювачі, так як принцип їх дії заснований на електронних процесах у вакуумі та напівпровіднику.

Електронні підсилювачі можна розділити за наступними ознаками:

• виду активного елемента - лампові, транзисторні, на тунельних діодах, параметричних діодах;

• діапазону частот - електрометричні, постійного струму, низької частоти, радіо- і проміжних частот, зверх високих частот (ЗВЧ);

• ширині смуги частот - вузькосмугові, широкосмугові;

• виду сигналу - гармонічні, імпульсні;

• електричному параметру – підсилювачі напруги, підсилювачі струму, підсилювачі потужності;

• типом навантаження - резисторні, резонансні.

На рисунку 5.2 показані діапазони частот різних типів підсилювачів.

Рисунок 5.2 – Діапазони частот підсилювачів різних типів

Другу групу складають підсилювачі, у яких відбувається перетворення енергії живлення, відмінною від виду енергії вихідного та керуючого сигналів. Найбільш характерним для цієї групи є електромашинні підсилювачі, в яких механічна енергія приводу перетворюється в електричну енергію.

За характером електричних сигналів, що підсилюються, розрізняють підсилювачі безперервних сигналів різних величин і форм і імпульсні підсилювачі, призначені для посилення імпульсних періодичних і неперіодичних сигналів.

За частотою сигналів, що підсилюються, розрізняють підсилювачі змінного струму, що підсилюють сигнали в смузі частот від нижньої робочої частоти f_H > 0 до верхньої робочої частоти f_В, але не підсилюють їх постійну складову; підсилювачі постійного струму, що підсилюють у смузі частот від нуля (f_H = 0) до f_B як змінні складові сигналу, так і його постійну складову.

Керуючий (підсилювальний) елемент разом з резисторами, конденсаторами та іншими деталями схеми прийнято називати підсилювальним каскадом. При недостатньому підсиленні сигналу одним каскадом використовується з'єднання декількох каскадів, що виконують роль попереднього підсилення і забезпечують роботу потужного вихідного каскаду. Виходячи з цього розрізняють однокаскадні і багатокаскадні підсилювачі. Каскади нумеруються в зростаючому порядку від входу до виходу підсилювача, при цьому перший каскад від входу називається вхідним, а останній - вихідним (кінцевим).

Основними характеристиками і параметрами підсилювачів систем автоматичного управління є характеристика управління, динамічні характеристики, коефіцієнт підсилення потужності, вхідний і вихідний опір, коефіцієнт корисної дії (для вихідних каскадів), рівень власних шумів.

Статичні характеристики y = f(x) підсилювачів найчастіше нелінійні й можуть бути, зокрема: із зонами нечутливості та насичення; із зонами нечутливості, насичення і неоднозначністю; релейного типу. За формою ці характеристики аналогічні деяким характеристикам управління, наведеним раніше (див. 3.2). Слід зазначити, що від підсилювача в ряді випадків потрібно істотно нелінійна (релейна) залежність між вихідною і вхідною величинами. В релейному режимі практично може працювати будь-який підсилювач, при цьому часто використовується релейний режим роботи електронних і магнітних підсилювачів. Так, наприклад, транзисторні підсилювачі в релейному режимі широко застосовуються в системах імпульсного управління електродвигунами і електромагнітними механізмами.

2. Операційні підсилювачі

1. Універсальні операційні підсилювачі

Операційні підсилювачі (ОП) знайшли застосування в електронній апаратурі за рахунок своєї універсальності і багатофункціональності. Вони являють собою спеціальні підсилювачі постійного струму. Електричні схеми ОП вельми різноманітні. ОП можуть бути з одним або двома входами. Розрізняють також ОП з параметричної компенсацією дрейфу нуля, перетворенням сигналу і автоматичної корекцією дрейфу нуля. У підсилювачах з безпосередніми зв'язками компенсація дрейфу нуля здійснюється за рахунок побудови вхідних каскадів по симетричною балансної або диференціальної схемами. У підсилювачах з перетворенням сигналу для посилення постійної складової використовується імпульсна стабілізація типу модуляція-посилення-демодуляція

Найбільш широке поширення одержали ОП без перетворення сигналу, де вхідний каскад побудований по диференціальній схемі. ОП цього типу складаються з наступних каскадів: диференціального підсилювача, схеми зміщення рівня напружень, вихідного підсилювача потужності.

П ростий диференціальний каскад включає в себе три транзистора (рис. 5.3, а). Транзистор VT3 працює в режимі генератора струму. Колекторний струм

а – схема; б – вихідні характеристики

Рисунок 5.3 – Диференціальний каскад ОП без перетворення сигналу

цього транзистора задається і стабілізується напругою на дільнику R₁, R₂ і опором R_Е. При рівності U_lBX і U_2ВХ струм І₃ транзистора VT3 протікає рівними частинами через транзистори VT1 і VT2. У колекторах цих транзисторів встановлюється напруга

Напруги U_1ВИХ и U_2ВИХ равны Е₁/2.

Залежно від різниці між U_1ВХ і U_2ВХ вихідні напруги змінюються, як показано на рис. 5.3, б.

Схема зміщення рівня постійної напруги, яке встановлюється на колекторах транзисторів диференціального каскаду, показана на рис. 5.4, а.

На базі транзистора VT2 встановлюється напруга E₂/2. Через цей транзистор протікає струм I_{E =} E₂/2R₄. На емітер транзистора VT1 подасться напруга U_Е = E₁/2 (позитивної полярності). Колекторній струм транзистора VT2 I_K = I_E створює падіння напруги на резисторі R₃I_K = E₁/2.

В результаті напруга позитивної полярності емітера VT1 повністю падає на резисторі R₃ і напруга U_1ВИХ буде дорівнювати нулю.

Вихідний каскад будується на здвоєному емітерному повторювачі (рис. 5.4, б). Коли напруга позитивна, відкривається транзистор VT1, що забезпечує вихідний струм. Негативна полярність U_1ВХ відкриває транзистор VT2, забезпечуючи вихідний струм.

На графічному зображенні ОП (рис. 5.4, в) зазначені наступні контакти: 1 - інверсний вхід, 2 – вхід, 3 – підключення позитивного полюсу джерела Е₁,

а – схема зміщення рівню постійної напруги;

б – схема вихідного каскаду; в – графічне зображення ОП;

Рисунок 5.4 – ОП без перетворення сигналу

4- підключення від’ємного полюсу джерела Е₂, 5- вихід.

Нижче перелічені основні параметри ОП:

• вхідний опір –диференційний опір змінному струму

R_dBX = U_BX/I_BX ;

• середній вхідний струм, який при відсутності сигналу не перевищує сотень наноампер;

• вхідний струм зсуву І_ВХ = І_ВХ⁺ - І_ВХ ^- - різниця між вхідними струмами (цей струм у декілька разів менше, ніж середній вхідний струм);

• напруга зсуву, рівне 1мВ, (прикладається до одного з входів, для отримання U_BИХ = 0);

• температурний дрейф напруги зсуву

ΔU_CM /Τ = (1-5) мкВ/°С;

• вихідний опір, що становить 1 ... 5 кОм.

• коефіцієнт посилення в межах ΙΟ² ... 10⁵;

• смуга пропускання - смуга частот, на яких вихідна напруга зменшується не більше ніж до 0,7 від максимального значення.

• швидкість наростання вихідної напруги ρ = U_ВИХ/t;

• час встановлення вихідної напруги, що визначається

між рівнями (0,1 ... 0,9) U_BИХ і складає одиниці мкс.

• максимальний вихідний струм, що становить 5 мА і більше.

Для ОП принципове значення мають три параметри: , R_ВX, U_CM/T. Будь-який з параметрів ОП можна покращити за рахунок погіршення інших. Розрізняють наступні види ОП:

• прецизійні, призначені для застосування в контрольно-вимірювальної апаратури;

• швидкодіючі – для схем, де потрібні широка смуга пропускання, висока швидкість наростання вихідної напруги і малий час встановлення;

• універсальні, або середньої точності;

• мікропотужні, де робочий струм підсилювача задається зовнішнім резистором;

• з високим вхідним опором;

• малошумні;

• багатоканальні;

• потужні.

Прецизійні, швидкодіючі, мікропотужні, малошумні, широсмугові ОП відносяться до класу спеціалізованих, оскільки один або кілька їхніх параметрів мають значення, близькі до граничних.

Нижче розглянуті тільки універсальні операційні підсилювачі.

а – базова схема; б – діаграма розподілу струмів

Рисунок 5.5 – Універсальний операційний підсилювач

На рисунку 5.5, а наведена базова схема двокаскадного універсального ОП, що містить вхідний диференціальний підсилювач на транзисторах VT1 ... VT4 і другий каскад підсилення з загальним емітером - транзистори VT5 і VT6. На виході схеми включений двотактний підсилювач потужності - емітерний повторювач, що працює в режимі АВ. Другий каскад працює як інтегратор на високих частотах, оскільки на інверсному вході (базі VT5) включений інтегруючий конденсатор корекції С = 30 пФ. Роботу вхідного диференціального каскаду можна проілюструвати діаграмою розподілу струмів, що на рис. 5.5, б. При рівності вхідних напруг струми емітерів транзисторів VT1 і VT2 рівні за значенням І₁, тому однакові і струми емітерів VT3 і VT4. При цьому вважають, що базовими струмами транзисторів можна знехтувати. При ідентичності технологічних параметрів струми транзисторів VT4 і VT3 завжди будуть рівними. Таке включення транзисторів називають «дзеркалом струмів». Навантаження «дзеркало струму» подвоює I_1ВИХ на виході першого каскаду. Далі сигнал підсилюється другим каскадом на транзисторах VT5 і VT6 і надходить на підсилювач потужності ОП, побудований на транзисторах VТ7 і VT8. Токи I₁ і I₂ каскадів ОП стабілізуються різними по конфігурації схемами внутрішньої стабілізації. Коефіцієнт посилення по напрузі ОП на низькій частоті К рівний добутку коефіцієнтів підсилення каскадів.

а – схема включення; б – схема для збільшення швидкості наростання вихідної напруги

Рисунок 5.6 – Операційний підсилювач КР140УД7

Повна принципова схема двокаскадного ОП відрізняється від схеми-моделі великим числом допоміжних елементів, що забезпечують надійну роботу мікросхем при змінних зовнішніх умовах (температурі, напрузі живлення). Операційний підсилювач КР140УД7 має більш складний вхідний підсилювач, що дозволяє підвищити вхідний опір до 100 кОм. До складу ОП входить стабілізатор, схема якого має внутрішній конденсатор корекції С = 30 пФ, тому АЧХ Оп повністю скориговано. Нахил логарифмічною АЧХ, що складає -20 дБ на декаду, і постійний фазовий зсув на високих частотах, що дорівнює 90°, допускають використання ОП в режимі повторювача без додаткової частотної корекції (рис. 5.6, а). Для збільшення швидкості наростання вихідної напруги до 10 В/мкс до контакту 12 підключають ємність С₁ = 150 пФ (рис. 5.6, б). Схема балансування ОП складається з одного зовнішнього змінного резистора, підключеного до контактів 3 і 9.

2. Моделювання математичних операцій за допомогою операційних підсилювачів

За допомогою ОП (рис. 5.7) можна змоделювати різні математичні перетворення. На базі цих елементів будуються аналогові обчислювальні машини.

На рис. 5.7, а представлена схема інвертуючого підсилювача. Для розрахунку елементів цього підсилювача скористаємося двома положеннями:

• напруги на інверсному і неінверсному входах рівні, тобто U₊ = U_- ;

• вхідний струм підсилювача дорівнює нулю у будь-якому з входів,

I₁ = І₂ = 0.

У цьому випадку U₊ = 0 і U_- = 0. Отже, вхідний струм I_BX = U/R₁. Струм I₂, що протікає через резистор R₂, дорівнює U_ВИХ / R₂. Так як I_BX = I₂, то U_BX/R₁ = U_ВИХ/R₂, і коефіцієнт передачі

K = U/U_BX = R₂/R₁ .

На рисунку 5.7, б показана схема інвертуючого суматора, вихідний сигнал якого описується виразом

а – інвертор-підсилювач; б – інвертор-суматор; в - інвертор з регульованим підсиленням; г - інвертор-підсилювач з лінійною залежністю коефіцієнта підсилення; д - повторювач; е - каскад віднімання; ж - підсилювальний віднімаючий пристрій;

з - аналоговий інтегратор; і - ідеальний диференціатор;

k - логарифмічний підсилювач

Рисунок 5.7. Схеми ОУ для моделювання математичних операцій

Інвертор з керованим підсиленням зображений на рисунку 5.7, в. Його

вихідний сигнал

Інвертор-підсилювач з лінійною залежністю підсилення від положення движка показаний на рисунку 5.7, г. Його передача має вигляд

де k - частина змінного опору R.

У схемі повторювача, наведеної на рисунку 5.7, д, виконується рівність

У каскаді віднімання двої сигналів, що поданий на рисунку 5.7, е, виконується наступна рівність:

Тоді

(U₁ – U_-)/R₁ = (U_ВИХ + U_-)/R₁ i U₁ – U_- = U_ВИХ + U_{- .}

Тут U_- та U₊ - відповідно напруга на інвертую чому та неінвертуючому входах. Враховуючи, що U_- = U₂/2 = U₊, отримаємо

або

Кінцеве вираз для вихідної напруги запишеться у вигляді

U = U₁ – U_{2 .}

Підсилювальний віднімаючий пристрій показано на рис. 5.7, ж; його передаточна функція описується виразом

U_ВИХ = K (U₁ -U₂).

Схема аналогового інтегратора і його частотна характеристика показані на рисунку 5.7, з. Передавальна функція аналогового інтегратора описується виразом

Схема ідеального діференціатора і його частотна характеристика показані на рис. 5.7, і. У цьому каскаді для високих частот коефіцієнт посилення приймає максимально можливе значення.

Схема логарифмічного підсилювача показана на рис. 5.7, k. Для цього каскаду можна скласти рівняння

де S - коефіцієнт пропорційності.

Передатна функція цього підсилювача описується виразом

де А - коефіцієнт передачі.

У всіх схемах з ОП на вільний від функцій вхідний контакт підключається резистор R₀, номінал якого визначається сумарним опором для іншого входу.