Лекция 7. Усилители.

Выходные сигналы датчиков и других элементов во многих случаях оказываются слабыми и недостаточными для приведения в действие последующих элементов систем автоматического управления, например реле, не говоря уже о таких исполнительных устройствах, как электродвигатели и тяговые электромагниты. Поэтому возникает необходимость усиления сигналов управления, измерения и контроля с помощью усилителей.

Системы автоматики могут быть построены с использованием сигналов различной физической природы: электрических, механических, пневматических, гидравлических. Наибольшее распространение получил электрический сигнал: его удобно передавать на расстояние, обрабатывать и запоминать, преобразовывать в другие виды сигналов. Поэтому электрические элементы автоматики получили самое широкое распространение.

Одним из основных и важнейших видов электрических элементов являются электромеханические и магнитные элементы, использующие электрические и магнитные явления. Подавляющее большинство различных неэлектрических величин может быть преобразовано в электрический сигнал с помощью электромеханических и магнитных датчиков. Усиление электрических сигналов может быть обеспечено с помощью магнитных или релейных усилителей, построенных на электромагнитных реле. Наряду с магнитными большое распространение получили полупроводниковые усилители, являющиеся более перспективными. В процессе усиления порой возникает задача преобразования электрического сигнала. Для этой цели служат магнитные модуляторы и электронные схемы.

Усилителемназывается устройство, предназначенное для увеличения мощности сигнала за счет энергии дополнительного источника питания, при этом выходная (усиленная) величина является функцией входного сигнала и имеет одинаковую с ним физическую природу. Усилители относятся к активным элементами автоматики.

В зависимости от вида энергии, получаемого от дополнительного источника питания, различают электрические, пневматические, гидравлические, механические и другие усилители.

В практике наиболее широкое применение находят электрические усилители, так как они обладают высокой чувствительностью, допускают сравнительно простую регулировку коэффициента усиления, хорошо сочетаются с электрическими исполнительными устройствами (двигателями, электромагнитами и т.п ).

По принципу действия электрические усилители делятся на две группы. Первую весьма большую группу составляют усилители, в основу которых положен нелинейный усилительный элемент(электронная лампа, транзистор, управляемая индуктивность, управляемая емкость). В таких усилителях маломощной входной сигнал управляет передачей гораздо большей энергии от источника питания в полезную нагрузку, присоединенную к выходу усилителя. В соответствии с типом управляющего (усилительного ) элемента различают ламповые, транзисторные, магнитные, диэлектрические усилители. Ламповые и транзисторные усилители часто объединяют название электронные усилители, так как принцип их действия основан на электронных процессах в вакууме и полупроводнике.

Вторую группу составляют усилители, в которых происходит преобразование энергии питания, отличной от вида энергии выходного и управляемого сигналов. Наиболее типичным для этой группы является электромашинный усилитель, в котором механическая энергия привода преобразуется в электрическую энергию.

По частоте усиливаемых сигналов различают усилители переменного тока, усиливающие сигналы в полосе от нижней рабочей частоты f_H>0 до высшей рабочий частоты f_B, но не усиливающие постоянную составляющую сигналов, усилители постоянного тока, усиливающие в полосе частот от нуля (f_H=0) до f_B как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую.

Усилители, преобразующие изменения амплитуды или фазы гармонического сигнала в величину или полярность постоянного тока (напряжения), относятся к усилителям среднего значения тока (напряжения).

Управляющий (усилительный) элемент вместе с резисторами, конденсаторами и другими деталями схемы принято называть усилительным каскадом. При недостаточном усилении сигнала одним каскадом используется соединение нескольких каскадов, выполняющих роль предварительного усиления и обеспечивающих работу мощного выходного каскада. Исходя из этого различают однокаскадные многокаскадные усилители. Каскады нумеруется в возрастающем порядке от входа к выходу усилителя, при этом первый каскад от входа называется входным, а последний- выходным (оконечным).

Основными характеристиками и параметрами усилителей систем автоматического управления являются характеристика управления, динамические характеристики, коэффициент усиления мощности, входное и выходное сопротивление, коэффициент полезного действия (для выходных каскадов), уровень собственных шумов.

. Следует отметить, что от усилителя в ряде случаев требуется существенна нелинейная (релейная) зависимость между выходной и входной величинами. В релейном режиме практически может работать любой усилитель, при этом часто используется релейный режим работы электронных и магнитных усилителей. Так, например, транзисторные усилители и релейном режиме широко применяется в системах импульсного управления электродвигателя и электромагнитными механизмами.

Одним из важных параметров усилителя является коэффициент усиления по мощности. Который в установившемся режиме определяется соотношением K_p=∆P_вых / ∆P_вх,

Где P_вых , ∆P_вх –мощности выходного и входного сигналов.

Для усилителей напряжения и тока соответственно различают: коэффициент усиления по напряжению и току, которые в установившимся режиме определяются соотношением

K_u=∆U_вых/∆U_вх , K_i=∆I_вых/∆I_вх ,

Где U_вых,U_вх , I_вых, I_вх -напряжения и токи выходного и входного сигналов.

Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя определяется как проозведение коэф. усиления отдельных каскадов

k = k₁k₂ k₃ …k_n

В системах автоматического управления преимущественное применнение имеют электронные усилители на полупроводниковых приборах – транзисторные усилители, а также магнитные усилители.

В современных системах автоматики выражена тенденция к расширению использования транзисторных усилителей, которые в наибольшей степени отвечают таким основным требованиям , предьявляемые к усилителям, как высокая надежность, большой срок службы, малогоборитность и постоянная готовность к действию.