Глава 6 усилители
6.1. Общие сведения
Во многих системах регулирования мощность сигнала, поступающего от измерительного устройства, недостаточна для осуществления регулирующего воздействия. Следовательно, сигнал необходимо усилить, для этого и служат усилители. Усилитель — это устройство, в котором входной сигнал преобразуется с усилением его мощности, причем выходной сигнал усилителя имеет ту же физическую природу, что и входной. Кроме того, в усилителях путем введения специальных корректирующих устройств формируются заданные зависимости выходных сигналов от входных.
В САУ применяют усилители разного типа: полупроводниковые, магнитные, электромашинные, гидравлические, пневматические и др.
Все усилители имеют цепь подвода энергии, за счет которой осуществляется усиление. В электронных усилителях это энергия питания цепей схемы, в электромашинных — энергия вращения якоря, в гидравлических — энергия установки, поддерживающей давление в гидросистеме.
Основными характеристиками усилителей, работающих в системах автоматики, являются:
коэффициент усиления;
линейность статической характеристики;
быстродействие;
уровень собственных шумов;
максимальная выходная мощность.
Для усилителей, работающих в подвижных системах (например, летательных аппаратах), большое значение имеет также вес, приходящийся на единицу выходной мощности.
Полупроводниковые усилители систем автоматики аналогичны усилителям низкой частоты и постоянного тока, применяемым в устройствах связи, измерительной технике и т.п. Широко применяются фазочувствительные усилители постоянного тока.
Для полупроводниковых усилителей характерны большое быстродействие, высокие коэффициенты усиления, низкий уровень собственных шумов. Их максимальная выходная мощность, по сравнению с другими типами усилителей невелика. Применяются полупроводниковые усилители в основном в входных и промежуточных каскадах. В качестве выходных усилителей они применяются только в системах, имеющих исполнительные устройства небольшой мощности.
6.2. Магнитные усилители
Магнитный усилитель представляет собой многообмоточный дроссель с железным сердечником, работающий по принципу изменения индуктивности обмоток переменного тока при подмагничивании сердечника магнитным полем постоянного направления. Магнитные усилители используются для усиления напряжения и мощности.
На рис. 6.1 представлена схема простого однотактного магнитного усилителя, имеющего одну двухсекционную обмотку переменного тока w~, последовательно с которой включена нагрузка усилителя Rн. На среднем стержне сердечника усилителя намотаны три обмотки: wупр, wо.с и w0 . На обмотку wупр подается входной сигнал — постоянный ток iупр. Обмотка обратной связи wо.с питается через выпрямитель выходным напряжением усилителя. Цепь обратной связи служит для тех же целей, что и в электронных усилителях: положительная обратная связь увеличивает крутизну статической характеристики и одновременно инерцию усилителя, при отрицательной обратной связи, наоборот, усиление уменьшается и инерция усилителя также уменьшается.
Последний фактор весьма важен для магнитных усилителей, так как они (особенно усилители мощности) имеют малое быстродействие.
Нулевая обмотка wо питается от независимого источника постоянного тока и служит для сдвига рабочей точки усилителя на линейный участок его характеристики.
При отсутствии входного сигнала индуктивное сопротивление обмотки w~ усилителя максимально, а выходной сигнал ивых — минимален. При прохождении по управляющей обмотке входного сигнала железо сердечника намагничивается, приближаясь к насыщению, при этом индуктивное сопротивление обмотки w~ падает, и ток в цепи Rн, а следовательно, и ивых растет.
При отсутствии тока в обмотке wо.с статическая характеристика 1 (рис. 6.2) усилителя симметрична относительно оси ординат, и усилитель нечувствителен к полярности входного сигнала.
При включении цепи обратной связи правая ветвь статической характеристики (здесь обратная связь положительна) становится круче, а левая (здесь обратная связь отрицательна) — более пологой (кривая 2).
При подаче в обмотку wо тока i0 (см. рис. 6.1) рабочая точка усилителя сдвигается вправо на середину линейной части характеристики. Теперь при положительной полярности iупр, когда ампервитки iупр wупр и io wo складываются, ивых будет расти, а при отрицательной полярности, когда ампервитки iупр wупр вычитаются из ампервитков io wo ,напряжение ивых будет уменьшаться, т.е. усилитель приобретает чувствительность к полярности iупр. Такой режим работы неудобен наличием значительного сигнала на выходе усилителя при iупр = 0.
Лучшую статическую характеристику обеспечивает более сложная двухтактная схема усилителя (рис. 6.3), в которой выходной сигнал (рис. 6.4, кривая 3) образуется как разность выходных сигналов двух усилителей 7 и 2 (см. рис. 6.3), имеющих общую цепь управления (см. рис. 6.4, кривые 1 и 2).
В таком усилителе при iупр = 0 и выходной сигнал ивых = 0. При положительном iупр на выходе появляется сигнал ивых с определенным фазовым углом, а при отрицательном — с фазовым углом, сдвинутым на 180°.
Положительным качеством магнитных усилителей является низкий уровень собственных шумов, что при использовании их в
качестве усилителей напряжения позволяет получить усиление до 106... 107. Магнитные усилители мощности обеспечивают усиление порядка 102.
Инерционные свойства магнитных усилителей мощности, выполненных из обычной трансформаторной стали, весьма существенны (их постоянные времени порядка 0,1... 1,0 с). Усилители напряжения изготовляются с сердечниками из специальных магнитных материалов. Их инерционные свойства характеризуются постоянными времени порядка Ю-4... Ю-5 с.
