Основные виды усилителей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные виды усилителей



Оглавление

Введение

1. Электронный усилитель

2. Полупроводниковый усилитель

3. Магнитный усилитель

4. Электромашинный усилитель

5. Пневматический усилитель

6. Гидравлический усилитель

Заключение

Список источников



Введение

В системах автоматики так или иначе используются электрические приборы, использующие различные по своей природе сигналы, но не всегда сигнал имеет величину, достаточную для срабатывания аппаратуры, или же наоборот, слишком высокую для данного прибора. Именно в таких случаях используются усилители и преобразователи. В данной работе подробнее изучим понятие усилителя и их основные виды. Усилитель - элемент автоматики, осуществляющий количественное преобразование (чаще всего усиление) поступающей на его вход физической величины (тока, мощности, напряжения, давления и т.п.). Усилитель обязательно должен иметь дополнительный источник энергии .

Основной характеристикой усилителя является зависимость

y = f(x)

при этом обычно стремятся к получению линейной или близкой к ней характеристики на рабочем участке. Величины на входе и выходе усилителя имеют одинаковую физическую природу.

По принципу действия усилители разделяются на электронные, полупроводниковые, магнитные, электромашинные, пневматические, гидравлические.



1. Электронный усилитель

Электронным усилителем называют устройство, позволяющее повысить мощность входного электрического сигнала за счет энергии источника питания усилителя с помощью усилительных элементов (транзисторов, операционных усилителей и т.п.) при заданном уровне искажений.

Электронные усилители являются одними из наиболее важных и широко используемых устройств в системах передачи и обработки различной информации, представленной с помощью электрических сигналов! Высокая чувствительность, быстродействие, компактность, экономичность электронных усилителей обусловили их широкое применение в измерительной технике, электро- и радиосвязи, автоматике, вычислительной технике и т.п.

В зависимости от назначения усилители подразделяются так:

усилители постоянного тока (ЖЕ),

усилители низкой частоты (УНЧ),

усилители высокой частоты (УВЧ),

избирательные усилители,

широкополосные (видеоусилители),

импульсные,

операционные и т.д.

Операционные усилители относятся к классу многофункциональных, или универсальных, так как с их помощью можно реализовать практически любой вид усиления электрического сигнала. В настоящее время основным элементом электронного усилительного устройства является транзистор. Транзистором называют полупроводниковый прибор, в котором изменение входного электрического сигнала приводит к изменению сопротивления выходной цепи транзистора (транзистор - дословно "преобразователь сопротивления"). Это свойство транзистора может быть использовано для различных преобразований электрических сигналов (усиление, генерирование, преобразователей формы и т.д.) в электронных стабилизаторах, переключателях и т.п. Существует большое разнообразие транзисторов, отличающихся принципом действия, назначением, мощностью, частотными свойствами и другими признаками. В данной работе используется биполярный транзистор типа n-р-п, и имеющий два р- п- перехода. На рис. 1а показано условное графическое и буквенное обозначение таких транзисторов на электрических схемах. На рис. 1б изображена схема подключения внешних элементов, генератора усиливаемого входного напряжения UВХ и источника питания +Un к выводам транзистора. Так как эмиттер является общим, то такое включение транзистора получило название схемы включения с общим эмиттером (ОЭ). Это основная схема включения биполярных транзисторов, так как в ней наилучшим образом используются усилительные свойства транзистора. Существуют также схемы включения с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК), которые используются реже.

Рис.1.

Цепь "коллектор-эмиттер" транзистора является силовой цепью, в которую включается резистор коллекторной нагрузки Р, а цепь "база-эмиттер" называют управляющей цепью, к которой подводится усиливаемый электрический сигнал

По 2-му закону Кирхгофа для транзистора (см. рис. 1) можно записать

,

т.е. ток коллектора Iк меньше тока эмиттера IЭ на величину тока базы IБ. Токи коллектора и эмиттера связаны между собой коэффициентом передачи тока

.

Величина всегда меньше единицы, однако, близка к ней. Для современных транзисторов = 0,900...0,999.

В схеме включения транзистора с ОЭ входной величиной является ток базы, а выходной - ток коллектора. Используя соотношения (1) и (2), получаем

.

Коэффициент называют статическим коэффициентом усиления тока в схеме с ОЭ и значение его составляет приблизительно 10..1000 для различных типов транзисторов.



Рис.2. Рис.3.

Основными статическими ВАХ транзистора в схеме с ОЭ являются:

а) входные характеристики (рис. 2)

при

б) выходные или коллекторные характеристики (рис. 3)

при

Входные характеристики при UKЭ>0 постепенно сгущаются, практически перестают зависеть от этой величины, поэтому в справочниках приводятся две кривые - для UKЭ = 0 В иUКЭ=3 В, либо UKЭ = 5 В.

Выходные характеристики приблизительно равноудалены друг от друга при одинаковых приращениях тока базы, начиная с IБ=0. Однако в дальнейшем они начинают сгущаться по мере приближения к току базы насыщения IБнас. При Iв= IБнас транзистор насыщается, т.е. полностью открывается, и он перестает быть управляемым током базы, т.е. переходит в ключевой режим работы.

Рабочей областью выходных характеристик в режиме усиления является область, ограниченная предельно допустимыми значениями и областями насыщения и отсечки (см. линии со штриховкой на рис.3).В этой области характеристики можно считать практически линейными, а транзистор - линейным элементом. На входные и выходные характеристики транзистора (см. рис.2 и 3) существенно влияет температура нагрева транзистора. С ростом температуры они эквивалентно поднимаются вверх (см. рис.3).

В справочниках [I] приводятся электрические параметры (оптимальные или номинальные для каждого типа транзистора), а также предельные эксплуатационные данные. К первым, в качестве основных относятся: статический коэффициент передачи тока (или ) в схеме с ОЭ; граничное напряжение UKЭ; обратный ток коллектора IК0; граничная частота fгр коэффициента , т.е. та частота усиливаемого сигнала, при которой коэффициент (или ) уменьшается в раза и др.

Усилительный каскад на транзисторе с ОЭ (рис. 4).

Каскад предназначен для усиления только переменных сигналов. К входной цепи усилительного каскада относятся все элементы, подсоединяемые между базой и эмиттером транзистора, а также источник входного сигнала UBХ.

Рис .4.



Выходная цепь каскада включает источник питания Un, управляемый элемент-транзистор VT и резистор R. Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекающего коллекторного тока iK , управляемого током базы ig , создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы Uвых. Остальные элементы играют вспомогательную роль. Конденсаторы CI и С2 являются разделительными: CI исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи + Un-- Rl- внутреннее сопротивление источника ив (на рис.4 не показано) и, во-вторых, обеспечить независимость напряжения на базе U~Bn в режиме покоя, т.е. при отсутствии входного сигнала и=0, от внутреннего сопротивления источника входного сигнала. Назначение конденсатора С2 - пропускать в цепь нагрузки только переменную составляющую напряжения. Резисторы Rl и R2 используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ввиду малости входного сопротивления транзистора, включенного по схеме с ОЭ, ток покоя в коллек-торной цепи Г (см. рис3) задается соответствующей величиной тока базы покоя rgn (см. рис.2), протекающего от источника питанияUn через резистор R1. Совместно с R2 резистор R1 образует делитель напряжения питания U , часть которого, выделяемая на резисторе R2 , равна значению Uбп (см. рис.2). Выбор значения и определяется требованием минимальных искажений формы входного сигнала, вносимых транзистором в режиме усиления. Это требование выполняется, если точка покоя П (см. рис.2 и 3) находится в середине линейного участка входных и выходных характеристик транзистора. Чтобы положение точки покоя оставалось практически неизменным при старении транзистора или воздействии внешних возмущающих факторов, ток I делителя R1-R2 должен быть в 2...5 раз больше необходимого тока покоя базы IБП. Резистор RЭ является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменениях температуры. Конденсатор СЭ шунтирует резистор Р по переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим.

2. Полупроводниковый усилитель

По электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками тока. К сказанному можно добавить, что к группе полупроводников относится гораздо больше веществ, чем к группам проводников и непроводников, взятых вместе. К полупроводникам, нашедшим практическое применение в технике, относятся германий, кремний, селен, закись меди и некоторые другие вещества. Но для полупроводниковых приборов используют в основном только германий и кремний. Каковы наиболее характерные свойства полупроводников, отличающие их от проводников и непроводников тока? Электропроводность полупроводников сильно зависит от окружающей температуры. При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (- 273С), они ведут себя по отношению к электрическому току как изоляторы. Большинство же проводников, наоборот, при такой температуре становятся сверхпроводимыми, т. е. почти не оказывают току никакого сопротивления. С повышением температуры проводников их сопротивление электрическому току увеличивается, а сопротивление полупроводников уменьшается. Электропроводность проводников не изменяется при действии на них света. Электропроводность же полупроводников под действием света, так называемая фотопроводность, повышается.

Полупроводники могут преобразовывать энергию света в электрический ток. Проводникам же это совершенно не свойственно. Электропроводность полупроводников резко увеличивается при введении в них атомов некоторых других элементов. Электропроводность же проводников при введении в них примесей понижается. Эти и некоторые другие свойства полупроводников были известны сравнительно давно, однако широко использовать их стали сравнительно недавно.

Германий и кремний, являющиеся исходными материалами многих современных полупроводниковых приборов, имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона. Всего же в атоме германия 32 электрона, а в атоме кремния 14. Но 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях их оболочек, прочно удерживаются ядрами и ни при каких обстоятельствах не отрываются от них. Только четыре валентных электрона атомов этих полупроводников могут, да и то не всегда, стать свободными. Атом же полупроводника, потерявший хотя бы один электрон, становится положительным ионом. В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Они к тому же расположены настолько близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг всех соседних атомов, связывая их в единое вещество. Такую взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника можно представить себе в виде плоской схемы, как показано на рис. 1, а. Здесь большие шарики со знаком « + » условно изображают ядра атомов с внутренними слоями электронной оболочки (положительные ионы), а маленькие шарики - валентные электроны. Каждый атом, как видишь, окружен четырьмя точно такими же атомами. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, один из которых «свой», а второй заимствован у «соседа». Это двухэлектронная, или валентная, связь. Самая прочная связь. В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих и по одному от четырех соседних атомов. Здесь уже невозможно различить, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», поскольку они стали общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. Схему взаимосвязи атомов в полупроводнике можно для наглядности упростить, изобразив ее так, как это сделано на рис. 1, 6. Здесь ядра атомов с внутренними электронными оболочками показаны в виде кружков со знаком плюс, а межатомные связи - двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

Усилители на диодах

Полупроводниковые диоды достаточно редко используются в качестве основных элементов генераторных и усилительных узлов. Являясь в большинстве своем чисто пассивными компонентами, они просто не могут выступать в роли источника тока или напряжения, необходимых для любого генератора или усилителя. Однако существует достаточно немногочисленный ряд случаев, когда при применении полупроводниковых диодов определенных типов ( туннельные диоды, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды, параметрические диоды ) возможно построение диодных усилительных и генераторных схем.

Такие полупроводниковые приборы как: туннельные диоды, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды объединяет одно свойство -- наличие на ВАХ прибора при определенных условиях участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В каждом из названных приборов физические эффекты, обусловливающие появление такого участка различны. В туннельном диоде -- это резкий спад туннельного эффекта при росте напряженности электрического поля в полупроводнике выше некоторого критического значения, в диоде Ганна -- особенности зонной структуры арсенида-галлия, в лавинно-пролетном диоде -- специфика лавинного пробоя при высоких частотах приложенного напряжения. Следует отметить, что названные случаи не являются единственными. Примером может служить широко известный и популярный в 30-х гг. кристадин Лосева, также представлявший собой полупроводниковый диод введенный в особый режим пробоя.

На сегодняшний день набольшее распространение получили диодные автогенераторы диапазона СВЧ. В них используются диоды Ганна и лавинно-пролетные диоды. При определенных условиях такие генераторы могут быть преобразованы в усилители и использоваться для резонансного усиления СВЧ сигналов. Однако ввиду повышенного уровня шумов и практической нерациональности усилители на диодах Ганна и лавинно-пролетных диодах применяются крайне редко. Особый вид усилительных устройств диапазона СВЧ -- это т.н. параметрические усилители. Они строятся на основе специальных параметрических диодов. Принцип работы таких усилителей очень близок к тому, как работают описанные выше диодные смесители. На параметрический диод, также как и в смесителях, подается два сигнала. При определенном согласовании этих сигналов и правильном выборе режима работы диода удается на нелинейной проводимости или емкости диода осуществить перераспределение мощности падающих сигналов в пользу одного из них (полезного). Одновременно возможно и преобразование частоты этого сигнала. Параметрические усилители диапазона СВЧ очень сложны в настройке и достаточно нестабильны. Их основное достоинство -- уникально низкий уровень шумов. Поэтому они чаще всего используются в радиотелескопах и системах дальней космической связи. Наибольший интерес и практическую ценность могут представлять туннельные диоды. Генераторные и усилительные устройства на их основе могут быть использованы в радиоприемниках, радиомикрофонах, измерительной аппаратуре и т.п.

Рис.5.ВАХ туннельного диода



Туннельные диоды можно использовать для построения резонансных и апериодических усилителей. Что касается апериодических усилителей, то практически во всех частотных диапазонах такие усилители на туннельных диодах оказываются мало практичными из-за трудности разделения нагрузки и источника сигнала, а также низкой эффективности (транзисторные усилители при сравнимом энергопотреблении обеспечивают большее усиление по сравнению с усилителями на туннельных диодах). Резонансные же усилители на туннельных диодах строить сравнительно просто. Они могут быть выполнены, например, по схеме автогенератора, в котором коэффициент обратной связи недостаточен для возбуждения колебаний. Таким схемам присущи все недостатки регенеративных усилителей: нестабильность порога регенерации, возможность самовозбуждения при изменении нагрузки, сужение полосы пропускания при повышении усиления. Однако эти усилители могут работать достаточно устойчиво, если не стремиться получить от них максимальное усиление. Пример схемы с данным применением туннельного диода приведен на рис.6. Схема представляет собой входную часть приемника прямого усиления с ферритовой антенной.

Рис.6. Резонансный усилитель на туннельном диоде в составе входного узла приемника прямого усиления с ферритовой антенной



Известно, что для согласования сопротивления контура антенны с входным сопротивлением транзистора УВЧ, коэффициент трансформации трансформатора, образованного обмотками катушек L1 и L2, делается много меньше единицы. Это приводит к тому, что напряжение сигнала на базе транзистора оказывается в 15...20 раз меньше, чем напряжение на контуре L1C1. В схеме на рис.6. коэффициент связи выбран значительно больше обычного и отвод к базе VT1 сделан от 1/5 общего числа витков катушки L1. В этом случае контур L1C1оказывается сильно шунтированным, полоса его расширяется и чувствительность приемника падает. Однако при подключении туннельного диода к дополнительной обмотке L3 контур частично разгружается, его затухание и полоса пропускания возвращаются к нормальной величине. Таким способом удается получить выигрыш в чувствительности приемника в 4...5 раз. Число витков дополнительной обмотки L3 выбирается с таким расчетом, чтобы затухание контура компенсировалось не полностью и усилитель не возбуждался. Недостатком предложенной схемы является то, что коэффициент перекрытия входной цепи уменьшается, так как из-за увеличенного коэффициента связи сильнее будет сказываться входная емкость транзистора VT1. Кроме того, к емкости контура добавится емкость туннельного диода. Поэтому если требуется достаточно большое перекрытие, целесообразно применять туннельный диод с минимальной емкостью.

Более выгодно применять регенеративные усилители настроенные на фиксированную частоту, например, в усилителе ПЧ супергетеродинного приемника (рис.7).



Рис.7. Регенеративный усилитель на туннельном диоде в составе УПЧ супергетеродинного приемника

На один из контуров ПЧ наматывается дополнительная обмотка для подключения туннельного диода. Смещение диода лучше сделать стабилизированным. Это позволяет подойти достаточно близко к порогу регенерации и получить выигрыш в усилении в 8...10 раз. Нужно учитывать, что полоса пропускания УПЧ резко сужается, если включение туннельного диода не было заранее предусмотрено.

усилитель полупроводниковый диод приемник

3. Магнитный усилитель

В магнитном усилителе (МУ) для увеличения сигнала используют индуктивное сопротивление. В качестве управляемого индуктивного сопротивления применяют дроссель со стальным сердечником. Индуктивное сопротивление изменяют подмагничиванием.



Схема магнитного усилителя с самоподмагничиванием (самонасыщением) (рис.8) имеет высокий коэффициент усиления, быстродействие.

Магнитный усилитель с самоподмагничиванием состоит из следующих элементов: 1, 1' - два одинаковых сердечника (из листовой электротехнической стали); 2, 2' - полуобмотки рабочей обмотки, где wр - число витков полуобмотки, полуобмотки включаются параллельно и встречно; VD1, VD2 - диоды, включены последовательно с полуобмотками; Rн - сопротивление нагрузки, включено последовательно в цепь переменного тока; 3 - обмотка управления с числом витков wу, питается постоянным напряжением Uу.

Если управляемых сигналов несколько, то в сердечниках располагается несколько обмоток управления.



Каждая рабочая полуобмотка 2, 2' проводит ток только в течение одного полупериода питающего переменного напряжения Uп (рис.9, а). Рассмотрим протекание процесса только в сердечнике 1 (см. рис.8) в течение первого полупериода (от 0 до p). К началу первого полупериода в сердечнике 1 имеется начальный магнитный поток F0 (рис.9, б). Он создается магнитодвижущей силой Fу при протекании по обмотке управления 3 тока Iу. Начальный поток определяется по кривой намагничивания сердечника. Процесс намагничивания будет продолжаться до момента насыщения сердечника (Fs).

Время, в течение которого сердечник намагничивается, называется интервалом возбуждения и характеризуется углом насыщения a. В этот интервал в нагрузке протекает небольшой намагничивающий ток Im, поскольку все напряжение питания прикладывается к дросселю из-за его большого индуктивного сопротивления (рис.9, г).

При насыщении сердечника наступает интервал насыщения, который продолжается до конца полупериода. В этом интервале поток сердечника остается неизменным; индуктивность дросселя мала и при этом практически все питающее напряжение Uп прикладывается к нагрузке Rн. Ток Iн в нагрузке резко возрастает (рис.9, г) и протекает в течение всего периода насыщения, т.е. от момента насыщения сердечника, определяемого углом a, до конца полупериода, определяемого углом p.

В течение другого полупериода (от p до 2p) в другом сердечнике 1' происходят аналогичные процессы.

Среднее значение тока в нагрузке зависит от длительности протекания тока Iн в интервале насыщения. Длительность протекания тока определяется углом насыщения a (см. рис.9, г). Среднее значение тока в нагрузке

Из выражения видно, что ток Iн.ср определяется напряжением Uп, нагрузкой Rн, углом насыщения a и временем насыщения. Угол a зависит от степени начального намагничивания F0.

Значение изменения потока ?F1 в течение интервала возбуждения определяется из выражения

.

Чем больше начальный поток F0, тем меньше ?F1, тем меньше угол a и больше средний ток нагрузки Iн.сри наоборот. Следовательно, изменяя начальное подмагничивание, можно изменять ток нагрузки Iн.

Основные характеристики магнитного усилителя. Рассмотрим следующие характеристики.

1. Характеристика управления - это зависимость среднего значения тока нагрузки Iн.ср от магнитодвижущей силы Fу (рис.10), где м.д.с. определяется формулой:

-Fу = wу Iу.

Для уменьшения тока нагрузки I01 при отсутствии тока управления Iу на сердечниках усилителя предусматривают дополнительную обмотку, которая называется обмоткой смещения и питается от постороннего источника. В обмотке смещения устанавливают необходимую величину м.д.с. Fсмсмещения, которая обеспечивает требуемое значение начального тока I02.

2. Коэффициент кратности тока нагрузки



ki = Imax/I0,

где I0 - ток холостого хода, требуемый для перемагничивания сердечника.

3. Коэффициент усиления - характеризует усилительные свойства МУ; коэффициент усиления по мощности

kР = Рн/Ру,

где Рн - мощность нагрузки; Ру - мощность управления (т.е. потери в сопротивлении обмотки управления rу от тока управления Iу.ном, обеспечивающего номинальный ток нагрузки).

4. Скорость установления выходного напряжения - характеризует быстродействие МУ, которое определяет скорость установления потока F0. Поток F0 изменяется по закону

F0 = F0 уст (1 - е-t/T),

где F0уст - установившееся значение потока, которое практически достигается за 3Т; Т - постоянная времени.

Реверсивный магнитный усилитель. Магнитный усилитель работает на переменном токе. Для обеспечения в нагрузке постоянного по направлению тока в цепи на выходе усилителя включают выпрямитель. Для обеспечения реверсирования тока нагрузки применяют двухтактные магнитные усилители (рис.11).



Балластные сопротивления Rб предназначены для предотвращения короткого замыкания в контуре. Этот контур в схеме образован последовательным соединением усилителей. В этой схеме ток нагрузки является разностью токов I1 и I 2 обоих магнитных усилителей. Обмотки управления усилителей включены последовательно и встречно. Поэтому при увеличении тока управления в одном направлении ток одного усилителя увеличивается, а другого - падает (рис.25, б). Разность токов в нагрузке при этом возрастает. Увеличение тока управления в другом направлении также приводит к возрастанию тока нагрузки, но уже при другой полярности.

Недостатки двухтактных схем - необходимость наличия двух усилителей и большие потери в балластных сопротивлениях. Коэффициент полезного действия лучших двухтактных усилителей не превышает 45 %.

4. Электромашинный усилитель

Электромашинным усилителем (ЭМУ) называется генератор постоянного тока, предназначенный для усиления по мощности сигналов, подаваемых на обмотку возбуждения. Обычный генератор тоже является ЭМУ, однако он не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ЭМУ, так как не обладает достаточным быстродействием и имеет низкий коэффициент усиления. Для получения большого коэффициента усиления и малой инерционности схема обмоток и конструкция ЭМУ должны существенно отличаться от применяемых в обычных генераторах постоянного тока.

В системах автоматического регулирования ЭМУ нашли широкое применение. Они являются быстродействующими, дают весьма большое усиление, имеют значительную перегрузочную способность и обладают высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями. ЭМУ способен в значительных пределах сохранять пропорциональность между входным сигналом и выходной величиной. Мощность управления (входа) ЭМУ весьма мала. Мощность выхода усилителя, определяющую его габариты, называют мощностью усилителя. Усиление мощности в ЭМУ происходит за счет механической энергии первичного двигателя (рис. 12).

Рис.12. Энергетическая схема ЭМУ

Электромашинный усилитель продольного поля.

Электромашинный усилитель продольного поля представляет собой генератор постоянного тока с несколькими обмотками возбуждения, одна из которых соединена по схеме самовозбуждения, обычно параллельного (рис. 13. ), в некоторых случаях последовательного или компаундного. Чтобы ЭМУ не мог самовозбуждаться, сопротивление обмотки самовозбуждения выбирают равным или большим критического. Магнитную систему выполняют слабонасыщенной, с небольшим магнитным сопротивлением. Обмотки независимого возбуждения ОУ называют обмотками управления.

Рис.13.Схема ЭМУ продольного поля

Электромашинный усилитель поперечного поля.

Для повышения коэффициента усиления выполняют две ступени усиления. Простейшая схема двухступенчатого усилителя может состоять из двух генераторов независимого возбуждения (рис. 2.46).

Рис.14. Двухступенчатый усилитель, состоящий из двух генераторов независимого возбуждения

Эта схема стоит значительно дороже, чем одномашинный усилитель. Ее недостатком является большая инерционность, поэтому для целей автоматического регулирования она непригодна. В ЭМУ поперечного поля обе ступени усиления объединены в одной машине. Первая ступень состоит из обмотки управления и якоря, который замкнут накоротко щетками q -- q, расположенными по геометрической нейтрали, (рис. 15. ). В этой ступени усиления при вращении машины небольшая м. д. с. обмотки управления создает значительную поперечную реакцию якоря Faq (рис. 16.).

Во второй ступени усиления на продольных щетках d -- d возникает напряжение, которое создается э. д. с, индуктируемой в обмотке якоря при его вращении в поле, создаваемом м. д. С. поперечной реакции якоря Faq. Напряжение Uвых на щетках d -- d является выходным. Таким образом, ЭМУ поперечного поля представляет собой одноякорный двухступенчатый усилитель, у которого поток второй ступени создается поперечной реакцией якоря первой ступени. Отсюда и название -- усилитель поперечного поля. Если напряжение Uвых подсоединено к какому-либо нагрузочному сопротивлению, то по якорю через щетки d -- d проходит ток Iвых. Создаваемая им реакция якоря Fad является продольной и направлена встречно по отношению к м. д. с. обмотки управления. Для компенсации продольной реакции якоря предусматривается компенсационная обмотка КО, соединенная последовательно с якорем через щетки d -- d. Сопротивление rk (см. рис.16.) позволяет регулировать степень компенсации. Для улучшения коммутации тока выходной цепи устанавливают дополнительные полюса ЦП.

Сравнивая распределение тока якоря в первой (рис.16, б) и второй (рис. 16, в) ступенях усиления, видим, что в проводниках обмотки якоря, расположенных в секторах 1 и 3 (рис. 16, г), протекает сумма токов первой (Iq) и второй (Iвых) ступеней, а в секторах 2 и 4 -- их разность. Результирующий ток, определяющий потери якоря, равен:

Рис.16. Распределение потоков и токов ЭМУ поперечного поля

а -- распределение потоков; б -- распределение тока первой ступени усиления; в -- распределение тока второй ступени усиления; г -- секторы якоря



Рис.17. Разрез ЭМУ поперечного поля:

1 -- щеткодержатель; 2 -- щит коллекторный; 3 - коллектор; 4 -- обмотка управления; 5 -- обмотка якоря; 6 -- корпус; 7 -- сердечник статора ЭМУ; 8 -- сердечник якоря ЭМУ; 9 -- вал; 10 -- обмотка статора приводного двигателя; 11 -- подшипниковый щит; 12 -- вентилятор; 13 -- кожух вентилятора; 14 -- подшипник

5. Пневматический усилитель

Пневматические усилители предназначены для усиления сигналов по мощности и давлению. Пневмоусилители делятся на два класса: дроссельные и струйные. Наиболее распространены дроссельные пневматические усилители типа сопло - заслонка и золотники. Усилитель типа сопло - заслонка является частным случаем междроссельной камеры. К струйным усилителям относится струйная трубка.

Золотниковые пневматические усилители по своей конструкции и принципу действия практически не отличаются от аналогичных гидравлических золотниковых усилителей. Ввиду малой вязкости воздуха утечки в пневматических золотниках велики, поэтому зазор между штоком и втулкой золотника необходимо делать как можно меньше (для золотников с диаметрами 10...25 мм не более 0,010 мм). Так как воздух не обладает смазывающей способностью, следует избегать конструкций пневматических золотников с большим числом трущихся поверхностей и сочетать материалы с хорошими антифрикционными свойствами при отсутствии смазки.

Преимущество пневматических золотников состоит в том, что массовый расход воздуха, а следовательно, и гидродинамические силы, действующие на них, сравнительно невелики. Поэтому для привода пневматических золотников можно использовать маломощную систему. Кроме того, в пневматических золотниках нет необходимости введения компенсации гидродинамических сил.

Дроссельный пневмоусилитель.

Дросселирующие органы предназначены для создания сопротивления течению воздуха. Они делятся на постоянные, регулируемые и переменные. Сопротивление постоянных дросселей не изменяется во время работы пневматического устройства; сопротивление регулируемых дросселей перенастраивается вручную, а переменных - изменяется без участия человека во время работы пневматических устройств.

По характеру течения воздуха в каналах дроссели подразделяют на турбулентные и ламинарные. Для турбулентных дросселей характерны малые отношения длины канала к диаметру. Течение в дросселях такого типа обычно принимают адиабатическим.

Ламинарные дроссели характеризуются большими отношениями их длины к диаметру.

Распределители сжатого воздуха (воздухораспределители, пневмораспределители) - это устройства для включения (отключения) подачи воздуха или изменения направления потока воздуха, подаваемого к различным устройствам пневматической системы. По конструкции механизмов, открывающих и закрывающих впускные и выхлопные отверстия, различают распределители клапанные, золотниковые и крановые. При дистанционном управлении на распределители подается электрический или пневматический сигнал.

В поршневых следящих пневмоприводах в качестве распределителей чаще всего используются цилиндрические золотники, конструкции которых аналогичны гидравлическим

Воздух как энергия.

В пневмоавтоматике основным источником энергии является сжатый воздух. Рабочий диапазон изменения входных и выходных пневматических сигналов приборов и средств автоматизации обычно находится в пределах 20... 100 кПа. Номинальное нормальное питающее давление сжатого воздуха составляет 140 кПа. Допустимое отклонение давления питания установлено в пределах ±10 % от номинального значения.

Кроме нормального диапазона давлений вычислительные пневматические приборы работают также в низком диапазоне рабочих давлений 0... 1000 Па. Работа приборов в низком диапазоне давлений имеет следующие преимущества:

становится возможным использование линейных дросселей, необходимых для реализации точных математических операций;

потребление воздуха снижается в 10... 100 раз;

мощность, потребляемая пневматическими агрегатами, по сравнению с мощностью, потребляемой при работе в нормальном диапазоне давлений, уменьшается в 1000... 10000 раз;

размеры проходных сечений дросселей увеличиваются, что предотвращает их засорение.

Низкое давление целесообразно только в приборах, осуществляющих вычислительные операции.

Для питания исполнительных механизмов необходимы высокие давления. Сжатый воздух для питания пневматических устройств должен быть очищен от пыли, влаги и масла; относительная влажность воздуха \j/ при 20"С не должна превышать 50...60 %.

Системы автоматизации при минусовых температурах, а также точные пневматические вычислительные приборы требуют снижения влажности питающего воздуха до 2...3%, что предотвращает выпадение в них влаги при низких температурах окружающего воздуха (-30...-40°С). Для такой глубокой осушки воздуха применяют двухступенчатые дегидраторы. Воздух представляет собой смесь газов, главным образом азота и кислорода, составляющих по весу соответственно 75,6 и 23,1%.

Состояние воздуха определяется двумя величинами: его удельным весом у и температурой t, от которых зависят все остальные его параметры, в том числе и давление p, плотность p, удельный объем v и др

Применение дросселей

Дроссельные устройства применяются для регулирования скоростей выхода поршня. Они создают сопротивление перетеканию жидкости, ограничивая таким образом расход жидкости, поступающей к гидроцилиндру. Ограничение расхода жидкости зависит от сопротивления, создаваемого дроссельным устройством. Наиболее простым является пластинчатый дроссель, в котором имеется малое отверстие с острой кромкой. Такое отверстие создает местное сопротивление. Дроссель выполняется в виде шайбы с конусным входом, что позволяет уменьшить толщину дроссельных кромок и довести ее до 0,2... 0,5 мм. При такой толщине кромок вязкое сопротивление становится ничтожно малым по сравнению с сопротивлением местных потерь при внезапном расширении канала и практически не зависит от вязкости жидкости.



Проходное сечение дросселя f, в котором потери на трение жидкости минимальны, находится в следующей практической зависимости от расхода жидкости Q и перепада давлений ?р жидкости на дросселе:

6. Гидравлический усилитель

Гидравлическим усилителем называется устройство, перемещающее золотник или иное управляющее устройство гидравлического исполнительного механизма и одновременно усиливающее мощность входного сигнала. Гидравлический усилитель обеспечивает в системах регулирования однонаправленное прохождение сигнала от электромеханического преобразователя к выходному гидравлическому исполнительному механизму большой мощности.

Гидроусилители используются для построения высококачественных быстродействующих гидравлических и электрогидравлических следящих систем и систем автоматического регулирования. Давление жидкости в напорной магистрали гидроусилителей может варьироваться от 7 до 300 кг/см2. Вес гидроусилителей находится в пределах от 0,3 до 20 кг. Мощность потока жидкости, управляемая гидроусилителем, может изменяться в диапазоне от 1 до 206 кВт, а коэффициент усиления по мощности - в пределах 300... 300000.

Гидравлический усилитель (бустер) имеет следующие преимущества перед другими усилительными устройствами:

1)высокую чувствительность к перемещению входного звена управления;

2)высокую скорость исполнения, практическое согласование динамики входного и выходного звеньев;

3)большое развиваемое усилие, зависящее только от давления гидрожидкости и диаметра цилиндра исполнительного механизма.

Для осуществления слежения в гидроусилителях применяется жесткая обратная связь выхода со входом так, что любое рассогласование приводит к равновесию, но уже в новом согласованном состоянии ведущего и ведомого звеньев.

Принцип действия гидроусилителя основан на автоматическом поддержании согласования между входом и выходом и слежении выходного звена за входом, разность между которыми дает рассогласование, приводящее в действие исполнительный механизм, восстанавливающий согласование. Схема однокоординатного гидроусилителя с жесткой обратной связью выхода со входом, представлена на рис. 19. Принцип действия такого гидроусилителя заключается в следующем. При перемещении ручки управления 2 перемещается тяга 7. Так как золотник 3 легко перемещается, центр шарнира 6 в первый момент движения тяги 1 будет неподвижен, ввиду чего движение ручки управления вызовет через рычаг 7 смещение плунжера золотника 3.



В результате этого жидкость под давлением поступит в соответствующую полость цилиндра 5. Другая полость цилиндра через золотник 3 соединяется со сливом. Под действием давления жидкости произойдет перемещение поршня 4, а следовательно, и центра шарнира 6 выхода на некоторое расстояние, пропорциональное отклонению тяги ) системы ручного управления. Если движение ручки управления 2 будет прекращено, то тяга 1 также остановится и движущийся поршень 4 сообщит через рычаг 7 плунжеру золотника 3 перемещение, противоположное тому, которое он получил до этого при смещении ручки. Так как окно золотника, имеющего размер /, вследствие обратного движения плунжера будет перекрываться, количество жидкости, поступающей в цилиндр 5, уменьшится и скорость поршня будет снижаться до тех пор, пока в среднем (нейтральном) положении золотника поступление жидкости не прекратится и поршень не остановится.

При движении ручки управления 2 в другую сторону движение всех элементов регулирующего устройства будет происходить в противоположном направлении.

Реальный гидроусилитель отрабатывает заданное перемещение лишь после того как перемещен распределительный золотник, ширина пояска плунжера которого равна h. Это запаздывание происходит за счет перекрытия золотником проходных отверстий на величину с = (h - t)/2. Перекрытие образует основную «зону нечувствительности»; обычно оно минимально и равно 0,05 мм на сторону.



Заключение

В данной работе мы представили устройство и принципы действия основных видов усилителей, работающих на различных видах энергии от различных её источников.

Изучив представленный реферат, можно с уверенностью сказать, что системы, построенные с использованием различных усилительных устройств, незаменимы в системах электроснабжения, машиностроения и дистанционного управления на различных производствах, где постоянно требуются системы управления громоздким и увесистым оборудованием, которые без внедрения систем усиления станут такими же габаритными и будут занимать большие площади и объёмы, что в свою очередь нежелательно.



Список источников

1. http://toe-kgeu.ru

2. http://www.club155.ru

3. http://toe-kgeu.ru/automaticelements/228-automaticelements1

4. http://www.rza.org.ua/down/open/Releynaya-zashchita-i-avtomatika-sistem-elektrosnabzheniya--V-A--ANDREEV_418.html

5. В.А Андреев: Учебник для ВУЗов. «Релейная защита и автоматика систем электроснабжения». Москва. «Высшая школа» 2006 г.

Размещено на Allbest.ru