3. Усилительные устройства

Усилителем называется устройство, в котором происходит усиление выходного сигнала датчика или сигнала, прошедшего через преобразовательный элемент до значений, при которых они достаточны для питания исполнительных элементов за счет энергии дополнительного источника. В усилителях входная и выходная величины имеют одинаковую физическую природу. Усилитель может быть выполнен как самостоятельный элемент автоматической системы или входит в состав датчика или исполнительного механизма.

По виду используемой энергии усилители подразделяются на гидравлические, пневматические, электрические, механические, а по виду статических характеристик на линейные, нелинейные (нелинейность обусловлена зоной нечувствительности) и релейные.

Основными характеристиками усилителя являются: коэффициент усиления, чувствительность, быстродействие, точность воспроизведения на выходе изменений входной величины, линейность.

Выбор и расчет усилительных устройств автоматической системы производится после выбора первичных преобразователей и исполнительных устройств.

Гидравлические и пневматические усилители. Основной принцип действия гидравлических и пневматических усилителей – управление с помощью механического перемещения каких-либо элементов потоком жидкости или газа. С точки зрения герметизации питающей системы гидравлические усилители уступают пневматическим, в которых используются маломощные системы для привода и не требуется компенсация гидродинамических усилий.

Широкое применение находят дроссельные и струйные усилители. Среди дроссельных усилителей наиболее распространены золотниковые и типа сопло-заслонка.

Золотниковые усилители. Основной частью усилителя является золотниковая пара, состоящая из втулки (цилиндра) со щелями, внутри которой перемещается золотник. В зависимости от назначения применяют одно-, двух- и четырехщелевые золотниковые пары, изготовленные с высокой точностью (поле допуска не превышает нескольких микрон).

В пневматических усилителях золотниковые пары работают без смазки при малом зазоре между золотником и втулкой. Это требует высокой точности изготовления и качества применяемых материалов. Гидравлические сопротивления окон золотниковых пар определяют по экспериментальным расходным характеристикам Q = f() при p = const, где р – перепад давления на щели, Q – расход,   – зазор между золотником и втулкой.

Диаметр золотника d_зол определяется в зависимости от расхода жидкости Q при постоянном давлении р₀ в магистрали.

На рис. 1.57, а приведена схема гидравлического поршневого усилителя с золотниковым управлением. В исходном положении под воздействием пружин 1, 2 полностью перекрыты соединительные каналы между золотниковым 3 и силовым 4 цилиндрами. При перемещении х (например влево) штока 5 золотника открываются каналы 6, и жидкость под давлением р₀ поступает в левую полость силового цилиндра 4 и вытесняется из правой его части.

Рис. 1.57. Схема гидравлического поршневого усилителя

При этом давление р₁ превысит давление р₂, и шток 7 силового цилиндра будет перемещаться вправо. При изменении направления движения золотника изменяется также направление перемещения поршня силового цилиндра.

Статическая скоростная характеристика этого усилителя нелинейная (рис. 1.57, б). Наличие зоны нечувствительности 2х₀ объясняется тем, что в исходном положении золотник перекрывает входное (в > а) отверстие, т. е. используется отсечной золотник. Для устранения зоны нечувствительности применяют проточные золотники, обеспечивающие дополнительный небольшой расход жидкости, что позволяет использовать усилители при низких температурах.

Тогда скоростная характеристика в рабочей части может быть аппроксимирована прямой (линия 1 на рис. 1.57, б).

Усиление обеспечивается вспомогательной энергией жидкости, нагнетаемой насосом и стабилизируемой по давлению гидросопротивлением.

Для того чтобы движение поршня силового цилиндра точнее повторяло входное перемещение золотника, используют жесткую обратную связь в виде рычага длиной L₁ + L₂, концы которого соединены с золотниковым цилиндром и штоком поршня силового цилиндра (штриховая линия на рис. 1.57, а). В отличие от рассматриваемой выше схемы золотниковый цилиндр подвижный. Входное перемещение штока золотника будет вызывать движение поршня силового цилиндра и цилиндра золотника до тех пор, пока отверстия не будут перекрыты.

Коэффициент усиления k достигает 10³–10⁴.

Усилитель типа сопло-заслонка (рис. 1.58, а) состоит из дросселя 1 с постоянным гидравлическим сопротивлением, заслонки 3 и силового цилиндра 4. Рабочая жидкость под постоянным давлением подается в усилитель через дроссель 1. В зависимости от положения заслонки 3 между дросселями 1, 2 устанавливается давление р, которое передается под поршень 4 и заставляет его перемещаться до тех пор, пока не установится новое равновесие между силой упругости пружины 5 и силой, приложенной к поршню 4. При изменении h изменяется расход рабочей жидкости через сопло 2, вследствие чего изменяется давление р этой жидкости, воздействующей на перемещение поршня 4, и поршень перемещается в ту или другую сторону. Подбор профиля заслонки позволяет получить линейную зависимость между положением заслонки и давлением р.

Рис. 1.58. Усилитель типа сопло-заслонка

Конструктивное исполнение усилителей типа сопло-заслонка может быть весьма различно. Наиболее часто применяют дифференциальные схемы, обладающие большой чувствительностью и усилением. Коэффициент усиления их достигает 10⁶.

Схема гидравлического усилителя со струйной трубкой приведена на рис. 1.58, б. Скоростной напор жидкости, вытекающей из мундштука 1 струйной трубки 2, превращается при ее отклонении от среднего положения в переменное давление рабочей жидкости в отходящих от сопла трубках 3, 4. Струйная трубка 2 вращается около полой цапфы 5, в которую подается рабочая жидкость (масло) под давлением р₀. Вытекающая из мундштука 1 струя жидкости попадает в оба канала приемного сопла, где скоростной напор превращается в давление, передаваемое через жидкость в полости 6, 7 сервомотора. При среднем положении струйной трубки 2 струя масла развивает одинаковое давление в приемных соплах 3, 4 и в связанных с ними полостях 6, 7 сервомотора, и поршень 8 остается неподвижным. При отклонении струйной трубки 2 от среднего положения давление в одном из сопел, в сторону которого отклонилась трубка, увеличивается, а в другом падает. Появляется разность давлений в полостях сервомотора, и его поршень 8 начинает двигаться, перемещая шток 9 и связанный с ним регулирующий орган в определенном направлении. Разность давлений, а следовательно, и скорость движения поршня, пропорциональны отклонению струйной трубки от своего среднего положения. Это отклонение в свою очередь пропорционально изменению регулируемой величины. Следовательно, скорость перемещения регулирующего органа приблизительно пропорциональна отклонению регулируемой величины от своего заданного значения. При значительном отклонении струйной трубки (до ограничителя) скорость перемещения регулирующего органа становится постоянной.

Расход масла через струйную трубку составляет 300–500 л/ч. Максимальное отклонение конца струйной трубки в пределах, определяемых ограничителями 9, 10, составляет 1–2 мм. Коэффициент усиления гидроусилителей со струйной трубкой достигает 10⁴.

Гидроусилители изготавливаются без обратной связи и с жесткой обратной связью по положению поршня гидравлического исполнительного механизма.

Рассмотренные схемы гидроусилителей являются однокаскадными, существуют и многокаскадные схемы, где исполнительный орган предыдущего усилителя воздействует на управляющий орган последнего. Выходная мощность гидроусилителей составляет 1–200 кВт.

Магнитные усилители. Магнитные усилители относятся к параметрическим усилителям, принцип действия которых основан на использовании нелинейных характеристик кривой намагничивания ферромагнитных материалов ( – магнитная проницаемость > 1). Они обладают высоким коэффициентом усиления по мощности и току, надежно работают при повышенной влажности, при вибрации, при высокой и низкой температурах, нечувствительны к качеству электрической энергии, простотой суммирования нескольких сигналов высоким коэффициентом полезного действия.

Магнитный усилитель (рис. 1.59, а) представляет собой два одинаковых трансформатора с замкнутыми ферромагнитными сердечниками, которые подмагничиваются постоянным током. Вторичные обмотки трансформаторов включаются последовательно с нагрузкой R_н в сеть переменного напряжения U_вых. Первичные обмотки W₁ называются управляющими и соединены последовательно и встречно, чтобы в них не индуцировался переменный ток.

Рис. 1.59. Магнитный усилитель

Входной величиной усилителя является ток в обмотке W₁, выходной переменный ток в обмотках W₂ и в нагрузочном сопротивлении R_н.

При увеличении постоянного тока насыщение сердечников увеличивается, а индуктивное сопротивление уменьшается, в результате чего сила тока в выходной цепи возрастает (рис. 1.59, б).

Коэффициент усиления по току:

по мощности

где N – мощность на выходе;

N_п – мощность на подмагничивание сердечников.

Как видим, затрачивая небольшую мощность на подмагничивание сердечника, можно управлять значительной мощностью на выходе.

Чтобы снизить наведенный переменный ток в управляющей обмотке (помимо встречного соединения обмоток W₁), в цепь этих обмоток включают дроссель, резко снижающий наведенный переменный ток.

Если вторичные обмотки W₂ включить в сеть переменного напряжения, то по сердечникам трансформаторов будут проходить магнитные потоки, величина которых определяется намагничивающей силой вторичной обмотки Ф = I₀’W₂ (I₀’ – ток холостого хода, т. е. ток при разомкнутых первичных обмотках).

Если замкнуть первичные обмотки на какой-либо прибор или накоротко, то по этим обмоткам ток протекать не будет и, следовательно, не изменится величина тока во вторичных обмотках. Но если в первичные обмотки подать постоянный ток, то он вызовет уменьшение действующей магнитной проницаемости, так как увеличится напряженность магнитного поля. С уменьшением магнитной проницаемости будут уменьшаться индуктивность L вторичных обмоток и реактивное сопротивление этих обмоток, что приведет к увеличению тока во вторичных обмотках.

Нагрузка R_н в цепи управляемой обмотки является выходом усилителя.

Магнитные усилители могут быть с обратной связью и без нее. Усилители без обратной связи применяются для усиления мощностей более 20–50 Вт. С увеличением мощности магнитного усилителя возрастает постоянная времени обмоток управления и, следовательно, уменьшается быстродействие.

Магнитные усилители несмотря на их инерционность в автоматике используются в качестве дросселей насыщения или управляемой индуктивности усилителей-преобразователей сигналов постоянного тока в переменный, магнитных модуляторов, усилителей мощности для управления двигателями переменного тока, бесконтактных магнитных реле, регуляторов напряжения, частоты и температуры.

Электромашинным усилителем (ЭМУ) называется усилитель, работа которого основана на эффекте усиления электрического сигнала в генераторах за счет механической энергии приводного двигателя. Он представляет собой машину постоянного тока, в которой механическая энергия приводного двигателя преобразуется в энергию выходного сигнала (электрического). ЭМУ нашли широкое применение в системах автоматического регулирования электроприводами (особенно в подъемно-транспортных машинах), в следящих электроприводах.

ЭМУ бывают с независимым возбуждением (независимые) (рис. 1.60, а) и с самовозбуждением с поперечным и продольным полем.

ЭМУ с независимым возбуждением состоит из электродвигателя Д (обычно с короткозамкнутым ротором) и генератора постоянного тока Г.

При подаче на обмотку статора генератора U_вх (управляющая обмотка) на нагрузке R_н, включенной в цепь обмотки ротора генератора, появится напряжение U_вых, пропорциональное U_вх. Так как в обычном генераторе постоянного тока мощность возбуждения составляет 1–2 % от его выходной мощности, то коэффициент усиления по мощности для него равен 50–100. При повышении числа оборотов вала приводного двигателя Д коэффициент усилителя ЭМУ также растет. Для того чтобы статическая характеристика в рабочем диапазоне была линейна, магнитопровод генератора в этом диапазоне не должен насыщаться.

Следовательно, генератор ЭМУ должен быть высокооборотным с характеристикой, не имеющей насыщения в рабочем диапазоне. В этом случае коэффициент усиления достигает величины 350–500.

Для повышения коэффициента усиления практикуется каскадное включение генераторов, когда один двигатель приводит во вращение два генератора, соединенные так, что первый генератор является возбудителем второго.

Рис. 1.60. Электромашинный усилитель

Наибольший коэффициент усиления можно получить на ЭМУ с поперечным полем (рис. 1.60, б), т. е. генератор такого ЭМУ имеет четыре щетки. Работает такой ЭМУ следующим образом. При подаче небольшого по величине входного напряжения U_вх на обмотку возбуждения в генераторе создается небольшой продольный магнитный поток возбуждения Ф_в, пронизывающий витки обмотки якоря, вращающегося с постоянной частотой от асинхронного двигателя. В результате этого в поперечной цепи якоря возникает ЭДС. Поперечная цепь якоря имеет малое сопротивление, поэтому по ней протекает значительный ток I₁, который вызывает магнитный поток Ф₁ значительно больший потока Ф_в. Под действием магнитного потока Ф₁ в продольной цепи якоря индуктируется ЭДС. Эта ЭДС вызывает появление тока I₂, под действием которого в якоре создается продольный магнитный поток реакции якоря Ф_а. Магнитный поток Ф_г во много раз больше потока возбуждения Ф_в, и эти потоки направлены навстречу друг другу. Магнитный поток Ф₂ размагничивает генератор, т. е. он создает как бы эффект внутренней отрицательной обратной связи. Поэтому, чтобы не произошло полного размагничивания ЭМУ и потери эффекта усиления, на статоре располагают компенсационную обмотку К, которая включается в продольную цепь якоря последовательно с якорной обмоткой и нагрузкой R_н и образующей магнитный поток Ф_k, компенсирующий поток Ф₂. Для изменения значения потока Ф_k параллельно обмотке К. включен переменный резистор Р_ш. В ЭМУ с поперечным магнитным полем можно получить коэффициент усиления по мощности, равный 10³–10⁵.

Полупроводниковые усилители. Соответственно трем типам ламповых схем: с общей сеткой (рис. 1.61, а), общим катодом (рис. 1.61, б) и анодом (рис. 1.61, в) полупроводниковые триоды (транзисторы) могут быть включены по схеме с общей базой (рис. 1.61, г), общим эмиттером (рис. 1.61, д) и общим коллектором (рис. 1.61, е). Принципиальное отличие усилительного каскада на транзисторе от каскада на лампе заключается в том, что транзистор (кроме полевых) всегда работает при наличии входного тока, протекающего через базу, тогда как лампа может работать и без сеточных токов.

Рис.1.61. Полупроводниковые усилители

Рассмотрим работу усилителя напряжения низкой частоты на транзисторе, включенном по схеме с общей базой (рис. 1.62, а). В схеме усилительного каскада без источника смещения Е_c при отсутствии входного сигнала (транзистор VT будет закрыт, так как по отношению к эмиттеру база р-п-р-транзистора будет иметь положительный потенциал. При подключении к входным клеммам источников синусоидального напряжения ~ U_вх на входе каскада появится выпрямленный ток, так как в этом режиме будут усиливаться только отрицательные полуволны входного напряжения (рис. 1.62, б, верхний график). Выходной ток в этой схеме всегда меньше входного, так как коэффициент усиления по току:

,

где I_к – приращение тока коллектора;

I_э – приращение тока эмиттера.

Если между базой и эмиттером включить источник напряжения смещения Е_c, то по коллекторной цепи потечет постоянный ток. При подведении к входным клеммам синусоидального сигнала коллекторный ток будет соответственно этому сигналу изменять свою величину в обе стороны от среднего значения (рис. 1.62, нижний график). Этот принцип работы транзисторного каскада соответствует режиму А. Установка рабочей точки и изменение режима работы каскада осуществляется изменением величины смещения Е_c. Емкости конденсаторов C₁ и С₂ представляют собой практически короткое замыкание для переменного тока.

Рис. 1.62. Схема включения полупроводникового усилителя

Поэтому переменная составляющая падения напряжения на коллекторном резисторе R_k повторяет по форме входной сигнал. Мощность сигнала на нагрузке R_н (в схеме не показана) может в несколько раз превосходить мощность сигнала на входе.

Коэффициент усиления по мощности:

Коэффициент усиления по напряжению:

Чтобы без искажения увеличить коэффициент усиления, последовательно включают несколько каскадов, связь между которыми выбирается трансформаторной.

Усилителем постоянного тока (УПТ) называют устройство, предназначенное для усиления медленно изменяющихся электрических колебаний, в том числе постоянных входных сигналов (нулевой частоты), с сохранением формы кривой усиливаемого сигнала.

Различают две разновидности УПТ: с непосредственным усилением сигнала постоянного тока и с предварительным преобразованием (модуляцией) сигнала постоянного тока в переменный ток, его усилением и последующей демодуляцией.