Глава 3

ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ,

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

И РЕГУЛИРУЮЩИЕ ОРГАНЫ СИСТЕМ

АВТОМАТИКИ

§ 12. Усилительные элементы

В современных системах автоматики для управления исполни­тельными механизмами требуется мощность, во много раз превы­шающая выходную мощность сигнала датчика. Для усиления этих сигналов применяют различные типы усилителей.

Усилители — это промежуточные элементы автоматики, увеличивающие передаваемую мощность за счет энергии посторон­него источника. Процесс усиления заключается в том, что энергия от маломощного источника управляет энергией другого, более мощ­ного источника, воздействующего на основной рабочий процесс. В зависимости от вида управляемой энергии усилители класси­фицируют как электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные. Основными показателями, характеризую­щими работу любого усилителя, являются коэффициент усиления, мощность на Входе и на выходе, искажения, вносимые усилителем, КПД и др. Коэффициент усиления представляет собой отношение изменения выходной величины к соответствующему изменению входной величины усилителя.

Идеальным усилителем является устройство, в котором харак­тер изменения выходной величины строго соответствует характеру изменения входной величины. Однако вследствие инерционности усилителя, нелинейности его характеристик форма выходного сиг­нала может отличаться от формы входного сигнала. Эти искажения формы называют искажениями, вносимыми реальным усилителем. Коэффициент полезного действия усилителя равен отношению полезной мощности выходного сигнала, развиваемого на нагрузке, к мощности, потребляемой от источника питания.

Электрические усилители. В качестве усилительных элементов в электронных усилителях используют электронные лампы и транзисторы. Электронные усилители характеризуются высо­кими коэффициентами усиления и входным сопротивлением, срав­нительно небольшими габаритами, простотой настройки и постоян­ными характеристиками.

Работу электронного усилителя удобнее рассматривать на од­ном каскаде усиления, поясняя ее потенциально-временными диа­граммами.

Во входной цепи усилителя с электронной лампой (рис. 22, а) последовательно включены постоянное смещение U_{g 0} и изменяю­щийся входной сигнал U_BX. При U_BX = 0 потенциал управляющей сетки постоянен и равен U_{g 0} .Ток I_{а 0} анодной цепи создает паде-

ние напряжения на сопротивлений нагрузки поэ-

тому анодное напряжение равно

При подаче на вход усилителя переменного напряжения U_BX потенциал управляющей сетки изменяется. В первый, положи-

Рис. 22. Электронные усилители: на электронной лампе (а), его характери­стики (б); на транзисторе (в), его характеристики (г)

тельный, полупериод отрицательное смещение сетки уменьшается, анодный ток возрастает, что приводит к росту U’_a0 .При этом на­пряжение на аноде U_a0 соответственно уменьшается. Во второй, отрицательный, полупериод входного сигнала анодный ток и па­дение напряжения на сопротивлении R_a уменьшается и анодное напряжение возрастет (рис. 22, б).

Таким образом, изменяющийся сигнал, приложенный между сеткой и катодом лампы, вызывает появление переменной состав­ляющей анодного тока и падение напряжения, причем амплитуда переменной составляющей значительно больше амплитуды вход-

ного сигнала. В этом и заключается эффект усиления в ламповом усилителе.

Аналогично происходит усиление входного сигнала в усилителе с транзистором (рис. 22, в), потенциально-временные диа­граммы которого приведены на рис. 22, г.

При U_BX = 0 напряжение между базой и эмиттером постоянно и равно напряжению смещения U_CM. Это напряжение вызывает ток базы I_{б 0}, который может быть просто определен по входным характеристикам транзистора I_б = f (U_б.э). Постоянный ток базы и определяет рабочий ток I_{k 0}, который вызывает падение напряже­ния на сопротивлении нагрузки U_{k 0} = I_{k 0}R_K.

При подаче на вход усилителя переменного напряжения U_BX напряжение между базой и эмиттером изменится. В первый поло­жительный полупериод отрицательное смещение уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы транзистора. Соответственно уменьшается ток коллектора и напряжение на нагрузке. Во второй отрицательный полупериод входного сигнала токи базы и коллек­тора возрастут, что приведет к увеличению напряжения на сопро­тивлении нагрузки.

Таким образом, изменяющийся входной сигнал вызывает по­явление переменной составляющей коллекторного тока транзи­стора и напряжения нагрузки, причем амплитуда переменной со­ставляющей значительно больше амплитуды входного сигнала. В этом и заключается эффект усиления.

Рассмотренные однокаскадные электронные усилители обла­дают ограниченным коэффициентом усиления. Для получения большего коэффициента усиления несколько таких усилителей по­следовательно соединяют. Общий коэффициент усиления такого многокаскадного усилителя определяется произведением коэффи­циентов усиления отдельных каскадов усиления.

Принцип действия магнитного усилителя основан на изменении индуктивного сопротивления катушки со стальным сер­дечником при дополнительном его подмагничивании. Эти усили­тели применяют для предварительного усиления слабых сигналов, для суммирования и сравнения нескольких сигналов, управления следящими приводами с помощью исполнительных механизмов.

В простейшем виде магнитный усилитель представляет собой переменную индуктивность (рис. 23, а). На управляющую обмотку I подается сигнал U₌ , подлежащий усилению. Обмотка II, назы­ваемая рабочей, подключается к источнику напряжения перемен­ного тока через сопротивление нагрузки Z_H, которое при отсутствии сигнала управления в несколько раз меньше индуктивного сопро­тивления рабочей обмотки.

Если рабочую обмотку с малым активным сопротивлением под­ключить к источнику синусоидального напряжения, то почти все подаваемое напряжение будет приложено к индуктивному сопротивлению обмотки. Оно будет уравновешиваться возникаю­щей в обмотке II ЭДС самоиндукции е = U_msin t. Согласно за-

отсюда величина магнитной индукции равна

_Кону электромагнитной индукции, эта ЭДС пропорциональна ско­рости изменения магнитного потока Ф_II — BS в сердечнике и числу витков в обмотке W_II, т. е.

где S — сечение сердечника; В_т = U_т/(W_IIS) — амплитуда пе­ременной составляющей магнитной индукции; В_о — постоянная интегрирования, определяемая начальным состоянием сердеч­ника.

Из уравнения (1) следует, что амплитуда магнитной индукции В_т не зависит от магнитных свойств сердечника, а следовательно, и величины постоянного подмагничивания и однозначно опреде­ляется амплитудой приложенного к обмотке переменного напря­жения.

В то же время величина напряженности магнитного поля, а следо­вательно, и тока в рабочей обмотке существенно зависит от вели­чины подмагничивания сердечника постоянным током. В магнит­ных усилителях применяют сердечники из магнитомягких мате­риалов, имеющих очень узкую петлю гистерезиса, что позволяет заменить ее средней кривой намагничивания.

Если подмагничивание отсутствует, т. е. В_о = 0, то при маг­нитной индукции В_т напряженность магнитного поля будет равна Н_т (рис. 23, б). При подмагничивании сердечника, т. е. В_о 0,

начальная точка О сдвигается на нелинейный участок кривой на­магничивания О'. Как видно из графических построений функции Н = f (В_т), при одинаковой величине амплитуды магнитной ин­дукции В_т амплитуда напряженности Н_т резко увеличивается, а величина абсолютной магнитной проницаемости материала сер­дечника _а падает:

_а= ₀

где — относительная магнитная проницаемость; ₀= 4 10^-7— магнитная постоянная, характеризующая магнитное поле в ва­кууме.

Индуктивность рабочей обмотки магнитного усилителя изме­няется пропорционально магнитной проницаемости

где l — длина средней линии магнитопровода.

Итак, при увеличении подмагничивания уменьшаются абсолют­ная магнитная проницаемость _а, а следовательно, и индуктив­ность рабочей обмотки L_II. Ток в нагрузке Z_H с увеличением под­магничйвания будет возрастать в соответствии с уравнением

где R_н и Х_н — соответственно активное и реактивное соппотивгтр ния нагрузки; R_II и L_II_ соответственно активное и реактивное

сопротивления рабочей обмотки усилителя; — частота питающего напряжения. К преимуществам магнитных усилителей относятся- простота конструкции, отсутствие вращающихся частей, высокая надеж- ность, нечувствительность к перегрузкам, вибрациям и т д. Коэффициент усиления по мощности у магнитных усилителей в зависимости от частоты переменного тока, типа сердечника наличия обратных связей и других факторов находится в пределах от 50 до 20 000. Недостатком магнитных усилителей, ограничивающим их применение, является большая инерционность. Электромашинные усилители служат для усиленна электрической энергии и применяются тогда, когда требуется по лучить значительную мощность постоянного тока, которую трудно обеспечить другими типами усилителей (электронными магнит- ными и др.). Обычно электромашинные усилители служат для пи' тания исполнительных двигателей постоянного тока скорость которых должна регулироваться плавно.

В электромашинных усилителях используется энергия вспомо- гательного двигателя, который вращает вал электрического гене- ратора. Простейшим электромашинным усилителем является обычный агрегат, состоящий из двигателя и генератора постоянного тока с независимым возбуждением. Управление напряжением генератора осуществляется путем изменения тока в обмотке возбуж-

пения. Входная мощность, потребляемая цепью возбуждения, в хо­роших усилителях составляет малую величину по сравнению с мощностью, развиваемой на выходе генератора.

Кроме такого простейшего усилителя с коэффициентом усиле­ния порядка 10 1000, в автоматике широко применяют более совершенные агрегаты — электромашинные усилители с попереч­ным полем. Коэффициент усиления такого усилителя колеблется в пределах от нескольких сотен до 10 000.

Упрощенная схема электромашинного усилителя с поперечным магнитным полем приведена на рис. 23, в. Магнитная система ге­нератора отличается от обычной увеличенной шириной полюсов, а схема включения якоря — наличием двух пар щеток, располо­женных перпендикулярно, вместо одной пары щеток в обычных усилителях. На полюсах намотаны обмотка управления W_y и ком­пенсационная обмотка W_K. Обе обмотки укладываются в пазах полюсных наконечников, чем достигается более точная компенса­ция потока реакции якоря.

Под действием тока /_у, который протекает по управляющей обмотке W_y, в продольной оси создается магнитный поток Ф_у. При вращении якоря в продольном магнитном поле Ф_у в поперечной цепи якоря наводится ЭДС Е_о. Поперечная пара щеток Щ1—Щ2 замкнута накоротко так, что даже небольшая ЭДС Е_о вызывает появление в поперечной цепи якоря значительного тока I_я. В ре­зультате по обмотке якоря протекает ток I_я, которым создается магнитный поток реакции якоря Ф_я, направленный перпендику­лярно потоку управления Ф_у. Благодаря большой величине тока в короткозамкнутой обмотке якоря и соответствующей конструк­ции полюсов генератора этот поток может иметь большую величину, чем в обычном генераторе постоянного тока. В продольной цепи якоря, вращающегося в созданном им самим поперечном магнит­ном поле, наводится ЭДС продольной цепи, снимаемая с щеток ЩЗ—Щ4 на нагрузку.

Ток нагрузки I_н, протекая по обмотке якоря, вызывает появле­ние своего потока реакции Ф_н, направленного навстречу потоку управления Ф_у. Чтобы поток реакции Ф_н не уменьшил поток уп­равления Ф_у, на полюсах генератора усилителя уложена компенса­ционная обмотка W_K. По этой обмотке протекает ток нагрузки /_н и создает поток, который компенсирует Ф_н.

Гидравлические и пневматические усилители. Такие усилители содержат обычно два основных элемента: управляющий и исполни­тельный. Управляющий элемент представляет собой дроссель пе­ременного сечения, выполненный в виде золотника, струйной трубки или сопла с подвижной заслонкой. Исполнительный элемент уси­лителя — поршень, перемещаемый в цилиндре, или мембрана, связанные с помощью штоков с другими частями системы управ­ления.

Под действием маломощного входного сигнала в усилителях

этого типа происходит перемещение управляющего элемента (на-

фимер, золотника), что изменяет проходное сечение канала,

по которому движется рабочая жидкость или газ в напорной ма­гистрали к исполнительному элементу усилителя. Вследствие этого изменяется давление в рабочей полости исполнительного элемента и перемещается шток.

Усилие на штоке определяется давлением в рабочей полости, площадью поршня или мембраны и может быть достаточно большим. Коэффициент усиления по мощности в усилителях этого типа мо­жет доходить до 100 000.

На рис. 24, а показан усилитель с золотниковым управ­ляющим элементом. Рабочая жидкость под давлением Р₁ посту­пает в управляющий золотник через трубку 1. Трубки 2 сообщаются

V

Рис. 24. Усилители: с золотником (а); со струйной трубкой (б), сопло-за­слонка (в)

с внешней средой, и через них происходит слив рабочей жидкости. При нейтральном положении золотника окна 4 перекрыты и давление жидкости в верхней и нижней камерах цилиндра одина­ковое. Если золотник 3 переместится вверх, то верхнее окно 4 приоткроется и в верхнюю камеру цилиндра 5 начнет поступать жидкость, подводимая к золотнику под давлением Р₁. В это же время нижнее окно 4 окажется приоткрытым для слива жидкости из нижней части цилиндра. В результате этого давление в верхней и нижней камерах цилиндра станет различным и на поршень ци­линдра будет действовать сила, пропорциональная разности этих давлений. То же произойдет и при перемещении золотника вниз, только в этом случае выходное усилие будет действовать в противо­положном направлении.

Входной величиной усилителя золотникового типа является перемещение золотника Х_вх, выходной — перемещение поршня Х_вых. Подобные усилители позволяют получать коэффициент уси­ления 1000 и более, а усилие на штоке — тысячи ньютонов.

Усилитель со струйной трубкой (рис. 24, б) состоит из струйной трубки, приемного устройства с двумя каналами, свя­занными с исполнительным элементом — цилиндром с поршнем. Принцип действия усилителя со струйной трубкой основан на преобразовании кинетической энергии быстродвижущейся струи жидкости (газа) в потенциальную энергию давления. Струя жид­кости выходит с большой скоростью из струйной трубки и попа­дает в приемные каналы. При симметричном расположении трубки

относительно каналов приемного устройства давление в обеих камерах исполнительного элемента одинаково. При смещении струйной трубки под действием внешнего усилия относительно оси приемного устройства давление в одной из камер возрастает, а в другой — уменьшается. В результате на поршне образуется пе­репад давления, который создает на штоке большое усилие, доста­точное для перемещения регулирующих органов.

Входной величиной в усилителе данного типа является перемеще­ние струйной трубки, а выходной — перемещение (или усилие) штока. Струйная трубка реагирует на очень небольшие перемеще­ния (несколько десятков микрометров). Коэффициент усиления такого усилителя еще выше, чем у усилителя с золотником.

Изменение давления газа или жидкости также может осущест­вляться с помощью сопла и заслонки, которые особенно часто ис­пользуют в пневматических усилителях. Схема усилителя с соплом и заслонкой приведена на рис. 24, в. В трубку 1 нагнетается воз­дух. Через дроссель постоянного сечения воздух поступает в сопло 3 и истекает в атмосферу. Междроссельное пространство 2 свя­зано каналом с исполнительным элементом (мембраной, сильфо-ном) усилителя. При перемещении заслонки 4 изменяется проход­ное сечение сопла (сопротивление истечению воздуха через сопло). В результате давление в междроссельной камере изменяется, что вызывает осевое перемещение сильфона.

В этом усилителе входной величиной является перемещение заслонки Х_вх, a выходной — перемещение штока (донышка) силь­фона Х_вых. Подобные усилители обладают большой чувствитель­ностью и коэффициентом усиления.

Недостатками гидравлических и пневматических усилителей являются: большая инерционность, ограниченность дистанцион­ного действия, необходимость специальных компрессорных или насосных установок.