УСИЛИТЕЛИ И ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ

Усилители предназначены для увеличения (от вспомогательного источника питания) мощности сигнала на выходе измерительной части системы автоматического управления, так как в большинстве случаев она недостаточна для приведения в действие исполнительных устройств. Назначение и место усилителей в системе автоматического управления обусловливает и предъявляемые к ним требования. Так, для усилителя в измерительной цепи главным параметром является стабильность характеристики, большой частотный диапазон и отсутствие искажения сигнала, а для выходного каскада усиления - КПД и выходная мощность.

Наряду с обычными усилителями в системах автоматического управления используют усилители-преобразователи, осуществляющие преобразование постоянного тока в переменный, и операционные усилители, осуществляющие моделирование различных математических операций (суммирование, дифференцирование, интегрирование и т. д.).

В электрических системах используют электронные, электромагнитные и при больших мощностях электромашинные, а в неэлектрических - механические, пневматические и гидравлические усилители.

Электронные усилители делят на ламповые и полупроводниковые. В связи с тем, что полупроводниковые усилители не требуют энергию и время на подогрев, имеют меньшие габариты, массу, значительный срок службы и обладают достаточно высокой механической прочностью и надежностью, они практически вытеснили электровакуумные лампы. К отличительным особенностям полупроводниковых усилителей следует отнести также экономичность, мгновенную готовность к работе, высокий коэффициент усиления и большой диапазон усиливаемых частот, а также вибро- и ударостойкость. По виду усиливаемого сигнала усилители делятся на усилители тока (переменного и постоянного) и напряжения, а по числу каскадов на одно- и многокаскадные. По принципу действия их классифицируют на усилители дискретного (релейного) и аналогового действия. При этом в последние годы осуществляется интенсивный переход к интегральным схемам. В схемах электронных усилителей могут использоваться различные виды обратных связей (рис.185).

Рис.185. Обратные связи в усилителях

При этом цепь обратных связей может охватывать как отдельные каскады (местная обратная связь - МОС), так и все каскады усилителя (общая обратная связь - ООС). Некоторые вещества, такие как германий, кремний к другие, являясь одновременно и проводниками и диэлектриками, называют, полупроводниками, наих основе выпускают транзисторы, тиристоры, диоды и различные интегральные схемы. Полупроводниковые усилители и преобразователи широко используют в силовых датчиках, самопишущих приборах и т.д. В общем случае полупроводниковый усилитель состоит из входного устройства ВУ, многокаскадного усилителя напряжения УН, усилителя мощности УМ, источника питания ИП и цепи обратной связи ОС (рис.186). При этом усилители переменного тока содержат только входной трансформатор Т, а постоянного тока - еще и вибропреобразователь ВП. В процессе работы усилителя входной сигнал напряжения постоянного тока U_вх преобразуется с помощью ВП в пульсирующее напряжение и через трансформатор Т подается в пятикаскадный усилитель напряжения переменного тока УН. Затем усиленные сигналы поступают в усилитель мощности УМ, а из него U_вых направляется в цепь исполнительного органа. Через цепь обратной связи ОС выходной сигнал возвращается на вход третьего каскада усилителя напряжения.

Рис.186. Структурная схема усилителя

Источник питания ИП состоит из силового трансформатора и двух выпрямителей, один из которых питает усилитель напряжения, а другой - мощности. Отдельная обмотка силового трансформатора обеспечивает питание вибропреобразователя ВП.

В электромагнитных усилителях используется свойство изменения магнитной проницаемости ферромагнитных материалов в зависимости от величины постоянного подмагничивающего поля. Простейшим электромагнитным усилителем (рис.187) является обычный дроссель с подмагничиванием, в котором обмотка управления питается напряжением постоянного тока, а рабочая W_р подключена

Рис.187. Электромагнитный усилитель

последовательно с сопротивлением нагрузки R_нкисточнику напряжения переменного тока. Эффект усиления при работе электромагнитного усилителя осуществляется следующим образом. При подаче сигнала управления U_у магнитная индукция сердечника магнитного усилителя увеличивается, а магнитная проницаемость уменьшается. При этом изменяется индуктивность катушки и уменьшается индуктивное сопротивление рабочей катушки, что ведет к возрастанию тока нагрузки I_н.

Электромашинные усилители используют для управления и регулирования частоты вращения в автоматизированных электроприводах постоянного тока. Простейшие усилители представляют собой систему из вспомогательного двигателя и генератора постоянного тока с независимым возбуждением. Управление напряжением генератора осуществляется изменением тока в обмотке возбуждения. При этом выходная величина мощности может в 100 раз превышать входную, затрачиваемую на управление работой усилителя. Электромашинные усилители с поперечным магнитным полем, в котором для возбуждения выходного каскада используется магнитный поток поперечной реакции якоря, получили наиболее широкое распространение. Эти усилители позволяют иметь усиление на выходе до 10⁵ раз.

В качестве переключателей в системах автоматики используют большое количество электромагнитных реле клапанного типа с втяжным или поворотным якорем, работающих как на переменном, так и на постоянном токе.

Пневматические и гидравлические усилители обычно выполняются заодно с исполнительными элементами и рассмотрены далее.