Автоматизация технологических процессов в производстве (стр. 21 из 32)

Усилители

Усилители предназначены для усиления выходного сигнала датчика. Эффект усиления по мощности достигается за счёт энергии вспомогательного источника.

В зависимости от вида вспомогательного источника энергии усилители можно разбить на следующие группы:

- электрические;

- гидравлические; - пневматические; - комбинированные.

Усилители делятся на однокаскадные и многокаскадные, а также на усилители с обратной связью и без обратной связей.

Чаще применяются усилители электрические, которые можно разделить на две большие группы:

1) не содержащие подвижных частей:

- электронные;

- полупроводниковые; - магнитные

- тиратронные.

2) содержащие подвижные электромагнитные части:

К основным характеристикам усилителя относятся:

- коэффициент усиления;

- мощность, потребляемая от вспомогательного источника тока; - выходная мощность;

- КПД;

- быстродействие (значение постоянного времени);

- входное и выходное сопротивление усилителя; - собственные шумы усилителя.

Коэффициент усиления для электронных усилителей показывает, во сколько раз мощность, ток или напряжение на выходе больше соответствующих на входе.

Мощность, потребляемая от вспомогательного источника энергии, выходная мощность и КПД определяют энергетические свойства усилителя. Быстродействие усилителей определяется по их динамическим характеристикам.

Входное или выходное сопротивление имеет место только в электромагнитных усилителях. Эти сопротивления необходимо усиливать при согласовании усилителей с предыдущими и последующими элементами автомаб-ой системы.

Магнитный усилитель

Магнитным усилителем называют электромагнитное устройство, усиливающее электрические сигналы. С помощью магнитных усилителей можно осуществить: - суммирование;

- дифференцирование;

- интегрирование;

- сравнение сигналов;

- стабилизацию напряжения и тока и т. д.

В усилителях следящего привода их применяют в основном в конечных и предконечных каскадах мощного усиления.

Одним из важных преимуществ магнитного усилителя является возможность получения с их помощью практически любой выходной мощности. Магнитные усилители обладают высоким КПД и значительным коэффициентом усиления по току и напряжению. Они нормально работают как при нормальных условиях так и при повышенной влажности, при высоких и низких температурах, при тряске, вибрации, ударных ускорениях и т. д.

Неприемлемой частью любого магнитного усилителя является ферромагнитный сердечник, кривая намагничивания которого имеет криволинейный характер.

В сердечнике магнитного усилителя всегда действуют 2 магнитных поля, отличающихся по частоте, одна из которых зависит от частоты источника питания, а другая – от частоты усиливаемого сигнала. Однако в большинстве случаях частота усиливаемого сигнала=0 , т. к. усиливаемый сигнал – это постоянный ток.

Рассмотрим работу дросселя, представленного на рис, 5-7. Обмотка управления Wy этого дросселя питается напряжением постоянного тока, а рабочая обмотка Wp — напряжением переменного тока (см. рис. 5-7, а). Последовательно с обмоткой Wp включено сопротивление нагрузки RН.

Переменный ток, протекающий по обмотке Wp,

Iн~=U~/Z=U~/(R^2+Xp^2)^1/2

Здесь U~- напряжение питания рабочей обмотки, В;

R- суммарное активное сопротивление нагрузки и обмотки Wp, Ом;

Xp==WL — индуктивное сопротивление рабочей обмотки, Ом; W— угловая частота питающего напряжения, C-1.

Индуктивность рабочей обмотки, Гн, L=(4л10^-9*wp^2S/L)м,

где Wp — число витков рабочей обмотки; S— площадь поперечного сечения сердечника, м³; L—длина средней магнитной линии, м; m — магнитная проницаемость, Гн/м.

Из формул следует, что изменять ток нагрузки можно только за счет магнитной проницаемости. На рис. 5-7, б показана зависимость магнитной проницаемости и тока нагрузки от тока управления.

Рис. 5-7 - Схема дросселя с подмагничиванием (и) и его характеристики (б)

Недостатком МУ является наложение на обмотку управления дополнительной э. д. с., создаваемой переменным током. Для устранения этого недостатка МУ выполняют с двумя рабочими обмотками.

Схемы и характеристики магнитных усилителей. На рис. 5-8, а представлена схема простейшего магнитного усилителя. МУ выполнен на двух одинаковых сердечниках, на каждом из которых намотана рабочая обмотка Wp. Эти обмотки соединяются последовательно и встречно. Такое соединение обмоток необходимо для того, чтобы электродвижущие силы, индуцированные магнитными потоками

Ф~(e = -w*(dФ/dt)в обмотке управления Wy, охватывающей оба сердечника, были направлены встречно и взаимно компенсировались. Зависимость тока нагрузки от тока управления (вход-выход) показана на рис. 5-8, б. Так как характеристика вход-выход симметрична относительно оси ординат, т. е. зависит от знака тока в обмотке управления, усилитель называют о д н о т а к т н ы м, или нереверсивным.

При отсутствии тока управления в нагрузке протекает некоторый начальный ток I0 и выделяется начальная мощность Р0. При подаче тока управления мощность на выходе увеличивается и становится равной Рвых. Коэффициент усиления по мощности определяется выражением

Rp = (Pвых – P0)/Py где Рвых - мощность, выделяемая в нагрузке, Вт; Py - мощность управления, Вт.

Рис.5-8 - Простейший магнитный усилитель: а - схема; б - характеристика

Если мощность Рвых много больше мощности P0 то коэффициент усиления приближенно определяется как отношение выходной мощности к мощности управления, т. е.

Rp=Pвых/Py

Из характеристики следует, что наибольший коэффициент усиления по току Ri = (Iн – I0)/Iy будет на самом крутом участке аЬ, т. е. - для работы с максимальным коэффициентом

усиления необходимо характеристику сместить влево, Для этого служит обмотка смещения wсм, которая питается постоянным напряжением Uсм (обмотка смещения на данной схеме не указана).

Для расчета магнитных усилителей необходимо знать характеристики магнитного материала сердечников. Для изготовления магнитных сердечников чаще всего применяют листовую трансформаторную сталь и пермаллой толщиной 0,2—0,5 мм.

Ток в нагрузке реагирует одинаково на изменение тока управления независимо от его полярности. Однако во многих системах автоматики и телемеханики необходимо наличие таких усилителей, которые при отсутствии управляющего сигнала давали бы на выходе напряжение, равное нулю, а при изменении полярности сигнала под-магничнвания обеспечивали бы опрокидывание фазы выходного напряжения.

Простейший дроссельный магнитный усилитель не удовлетворяет

этим требованиям: ток в нагрузке имеет начальное значение I~0, и фаза его не зависит от

полярности сигнала. Поставленным требованиям удовлетворяют так называемые дифференциальные схемы магнитных усилителей.

Рис.5-9 - Дифференциальная схема магнитного усилителя (а) и его характеристика (б)

На рис. 5-9, а приведена дифференциальная схема магнитного усилителя. При отсутствии управляющего сигнала сопротивления обмоток дросселей первого и второго плеч велики, токи в этих обмотках равны и направлены встречно. Следовательно, ток в нагрузке Rн равен нулю. Для смещения характеристики в магнитном усилителе предусмотрена обмотка смещения wсм. При подаче входного сигнала определенной полярности сопротивление одного из плеч МУ уменьшается, в результате чего возрастает ток в рабочих обмотках этого плеча, например I1. В этом случае в нагрузке появится ток I_н = I₁ – I₂, который будет возрастать до определенного предела пропорционально величине входного сигнала.

Магнитные усилители с внешней положительной обратной связью

Чтобы увеличить коэффициент усиления магнитного усилителя по току вводится положительная обратная связь.

Для этого в цепь питания рабочих обмоток дросселя включается мост из полупроводниковых диодов (выпрямитель). Выпрямленный ток проходит через обмотку обратной связи w_oc, создавая подмагничивание.

Это позволяет на входе усилителя иметь значительно меньшие сигналы, т. е. повысить коэффициент усиления магнитного усилителя. Кроме того, в случае необходимости в цепь обратной связи можно включить нагрузку по постоянному току. Рис.5-10 - Магнитный усилитель с положительной обратной связью

Характерной особенностью усилителей с обратной связью является то, что постоянное подмагничивание здесь подаётся не от внешнего источника, а от выпрямителя, включенного в цепь с обратной связью

Если на входе магнитного усилителя изменить управляющий сигнал, то на выходе напряжение изменится не мгновенно, а через некоторое время. Следовательно, магнитный усилитель имеет запаздывание, или инерционность при работе.

Инерционность магнитного усилителя зависит от параметров и в основном от индуктивности обмотки управления. Индуктивность обмотки управления одного из дросселей имеет нелинейную зависимость от тока управления.

В дифференциальной схеме магнитного усилителя суммарная индуктивность обоих дросселей лил транзисторов имеет переменно – постоянное значение, т. к. индуктивность одного из дросселей уменьшается примерно на столько, на сколько увеличивается индуктивность другого дросселя.

Постоянная времени колеблется от нескольких миллисекунд (для маломощных магнитных усилителей), до нескольких секунд (для мощных усилителей).