Раздел 4. Усилители.

Тема 4.1. Общие сведения об усилителях.

Усилитель – это устройство, предназначенное для увеличения мощности входного сигнала за счёт потребления энергии от внешнего источника питания, при этом сам вид сигнала остаётся неизменным.

В современной технике довольно широко используется принцип управления энергией, при котором при помощи затраты небольшого количества энергии управлять энергией во много раз большей.

В автоматике выходной сигнал датчика используется для приведения в действие исполнительного устройства автоматической системы. Однако очень часто мощность выходного сигнала датчика недостаточна, и поэтому её необходимо усиливать.

Рис 59. Структурная схема однокаскадного усилителя.

Рвх

Рвых

Рпит

УУ – устройство управления

У

УУ

Н

ИП

Н – нагрузка

ИП – источник питания

Для управления мощными электродвигателями, машинами, манипуляторами, роботами используются устройства управления небольшой мощности УУ (кнопка, ключ управления, джойстик и т.п.). Для увеличения сигналов управления Рвх используются усилители. Для усиления сигнала источника требуется к усилителю от источника питания ИП подвести мощность Рпит, за счёт которой произойдёт усиление входного сигнала Рвх до мощности выходного сигнала Рвых.

Основной характеристикой усилителя является коэффициент усиления:

Например, мощность приводных двигателей в металлорежущих станках в среднем равна примерно 1,5 кВт, а мощность на выходе устройства управления ИС примерно 0,1 миливатт. Очевидно, что в этом случае необходимо устройство с коэффициентом усиления по мощности К_Р= 15×10⁶.

Если усиление одного усилителя недостаточно, то к выходу первого усилителя подключают вход второго усилителя, выход которого подключается к входу третьего элемента, и т.д. Такой усилитель называют многокаскадным. а связь между каскадами может быть емкостной, трансформаторной или непосредственной .

Если усилитель содержит N каскадов, то общий коэффициент усиления их Коб = К₁× К₂× . . . ×Кn

где К₁-Кn – коэффициенты усиления отдельных усилителей.

Рвх

Рпит

У1

Рвых

У2

Рис 60. Двухкаскадный усилитель.

УУ

Рпит

Н

К основным характеристикам усилителей относятся:

- коэффициент усиления;

- мощность, потребляемая от вспомогательного источника энергии;

- выходная мощность;

- коэффициент полезного действия (КПД);

- быстродействие (значение постоянной времени);

- входное и выходное сопротивления усилителя;

- собственные шумы усилителя.

Основные виды усилителей.

Гидравлические.

Пневматические.

Усилители электрических сигналов постоянного или переменного тока: мощности Р, напряжения U, тока I.

Комбинированные усилители.

Усилители, работающие на электрических принципах, в целом ряде случаев предпочтительнее, чем неэлектрические.

Достоинством электрических усилителей являются возможность получения больших коэффициентов усиления, малая инерционность, возможность в ряде случаев складывать и вычитать сигналы, способность преобразовывать сигналы и др.

К этим усилителям относятся:

-усилители-механотроны(электромагнитные реле) применя­ют в системах, где необходимо иметь скачкообразную (релейную) статическую характеристику. Эти усилители отличаются простой конструкцией, сравнительно малыми размерами, высокой стабильностью характеристик, ма­лой стоимостью. Недостаток релейных усилителей - на­личие подвижных частей и некоторая инерционность;

- электронные усилители(полупроводниковые) характеризуются возможностью уси­ления слабых электрических сигналов, высоким коэф­фициентом усиления, безынерционностью, отсутствием подвижных частей, большим диапазоном усиливаемых, частот;

- Магнитные усилители характеризуются боль­шой надежностью, долговечностью, высокими эксплуа­тационными качествами, высоким коэффициентом уси­ления и перегрузочной способностью;

- электромашинные усилители применяют в качестве усилителей мощности для управления объ­единенными с ними исполнительными элементами по­стоянного тока. Целесообразно использовать эти усили­тели в системах мощностью более 100 Вт.

Неэлектрические усилители работают на гидравлических и пневмати­ческих принципах. Сюда же можно отнести условно и такие механические конструкции, как рычаг, редуктор или мультипликатор, благодаря которым можно увеличить либо силу, либо перемещение. Условность заключается в том, что при этом не происходит какого-либо увеличения энергии.

Неэлектрические усилители позволяют плавно изменять выходную величину, например скорость перемещения какого-либо элемента, в очень широком диапазоне.