Общие сведения об усилителях.
Рис. 4-21. Структура усилителя.
Управление механизмами с электрическим приводом сводится к воздействию на двигатель и другие силовые элементы системы с помощью управляющих сигналов. Управляющий сигнал может исходить от оператора, непосредственно воздействующего на тот или иной аппарат. Источником управляющих сигналов могут служить датчики технологических параметров, элементы программного устройства, приборы, предопределяющие режим, — так называемые задатчики и др. Многообразие источников управляющих сигналов в автоматических системах характеризуется, однако, общим признаком — малой мощностью в системе образования, переработки и передачи управляющих сигналов, что диктуется целесообразностью и габаритами системы управления, ее экономичностью. В связи с этим управляющие сигналы в экономичной и гибкой системе регулирования часто не могут быть непосредственно переданы на управляемое звено и подлежат предварительному усилению с помощью аппаратов, объединяемых общим наименованием усилителей.
Усиление во всех случаях происходит за счет мощности, подводимой от внешнего источника питания, и, таким образом, усилитель выполняет функцию регулятора мощности, передаваемой от источника литания управляемому звену системы (рис. 4-21).
На вход подается один или несколько управляющих сигналов, которые регулируют мощность, передаваемую от внешнего источника питания на выход к нагрузке. Если на вход подается несколько сигналов, то регулирующим фактором будет их совместное действие.
Важнейшим показателем, характеризующим усилитель, является соотношение его входной и выходной величин. За выходную величину усилителя принимается мощность нагрузки Ρн, а входной — мощность сигналов управления Ру. Отношение выходной величины, к входной называется коэффициентом усиления по мощности:
(4-1)
Мощность независимого источника питания должна несколько превышать мощность, выдаваемую усилителем на выходе.
В системе автоматического управления применяют усилители, действие которых основано на различных физических явлениях. На практике используются электромашинные, магнитные, ионные, электронные, полупроводниковые усилители, а также пневматические, гидравлические и др.
Ниже рассматриваются усилители, нашедшие применение в схемах автоматического управления гидромеханизации.
Электромашинные усилители (ЭМУ)
Обычный генератор постоянного тока с независимым возбуждением представляет собой прототип электромашинного усилителя. Входной величиной в данном случае будет мощность возбуждения, а выходной— мощность, снимаемая щетками с якоря генератора. У небольших генераторов нормального исполнения от 0,5 до 30 кВт мощность возбуждения составляет от 1 до 5% мощности выхода. Коэффициент усиления таких машин, следовательно, лежит в пределах kР=20:100. Энергетическим источником независимого питания в таком усилителе является двигатель, служащий для вращения генератора.
Если два генератора объединить в общий блок усиления таким образом, чтобы выход первого был использован для питания возбуждения второго, получится двухкаскадное усилительное устройство с общим коэффициентом усиления по мощности kp=k'pk"p, значение которого может достигать 1200 и больше. Здесь k'р и k"р — коэффициенты усиления каждого из каскадов усилительного устройства.
Такой усилитель, включающий в себя обмотки возбуждения с большой индуктивностью, обладал бы значительной инерцией, вызванной длительностью переходного процесса тока в обмотках; иначе говоря, реакция выхода на изменение входной мощности происходила бы со значительной задержкой. Вследствие этого подобные усилители в системах автоматического управления малопригодны; применяются машины специального исполнения, где в меньшей степени проявляются указанные недостатки.
Электромашинный усилитель поперечного поля. Входным параметром электромашинного усилителя поперечного поля служит мощность сигналов, подаваемых на обмотки управления, являющиеся входом, а выходным — электрическая мощность на зажимах цепи якоря — выходе усилителя (рис. 4-22).
На коллекторе якоря размещены две группы щеток, расположенные под углом 90°. При возбуждении машины на щетках а, б возникает э. д. с. Щетки замыкаются накоротко, поэтому даже при небольшом возбуждении ЭМУ по обмотке якоря протекает ток большого значения. Последний образует собственное сильное поперечное
поле, вращаясь в котором, активные провода якорной обмотки пересекают силовые линии магнитного потока, и на выходе усилителя появляется э. д. с., питающая нагрузку. Рабочий ток (ток нагрузки) создает магнитное поле реакции якоря, направленное встречно по отношению к магнитному потоку возбуждения. Поток реакции якоря оказывает существенное размагничивающее воздействие на поток возбуждения, снижая выходное напряжение. Магнитодвижущая сила реакции якоря должна быть, следовательно, скомпенсирована, что осуществляется магнитным потоком компенсационной обмотки ОК. Компенсация потока реакции якоря происходит автоматически, в зависимости от нагрузочного тока; с этой целью компенсационная обмотка включена последовательно с якорем.
Рис. 4-22. Принципиальная схема ЭМУ поперечного поля.
Магнитодвижущая сила компенсационной обмотки, т. е. степень компенсации реакции якоря ЭМУ, регулируется параллельно включенным сопротивлением СК.
Работа ЭМУ поперечного поля подобна двум генераторам, включенным в каскад. Коэффициент усиления равен произведению коэффициентов обеих ступеней и может достигать большого значения. Практически используются ЭМУ с коэффициентом усиления до 10000.
Достоинством ЭМУ является их относительно малая инерционность, обусловленная низкими значениями индуктивности обмоток.
Для получения пропорциональной зависимости между входной и выходной величинами ЭМУ их конструкция предусматривает низкие значения магнитной индукции в стали машины. Промышленность изготовляет ЭМУ поперечного поля на мощность от десятых долей кВт до нескольких десятков кВт.
ЭМУ широко применяют в системах автоматического управления; они дают возможность получать необходимые характеристики электропривода.
Дроссель насыщения и магнитные усилители (МУ)
Магнитные усилители представляют собой неотъемлемый элемент системы электрического привода с большим диапазоном регулирования скорости, поэтому они здесь рассматриваются более подробно. Принцип работы их основан на изменении индуктивности дросселей в функции насыщения магнитопровода. Их более общее название —дроссели насыщения.
Рис. 4-23. Дроссель насыщения.
Дроссель насыщения (или управляемый дроссель) представляет собой включенную в цепь переменного тока катушку со стальным магнитопроводом, индуктивность которой можно регулировать в широких пределах, изменяя степень насыщения стали путем подмагничивания постоянным током.
Соединим обмотки двух одинаковых трансформаторов, как показано на рис. 4-23.
Первичные обмотки соединены последовательно и подключены к переменному напряжению. Вторичные обмотки соединены последовательно, но так, чтобы наводимые в них э. д. с. были направлены встречно (отличались по фазе на 180°). Это необходимо для того, чтобы вторичные э. д. с. взаимно компенсировались и во вторичной цепи не наводились э. д. с. с частотой питания. Выводы этих обмоток подключены к источнику постоянного тока.
Магнитный усилитель простейшего вида представляет собой управляемый дроссель с нагрузкой, включенной последовательно с обмоткой ω1 (на рис. 4-23 — сопротивление rн, показанное пунктиром). В такой схеме с помощью небольшой мощности, расходуемой в обмотках постоянного тока, можно управлять значительно большей мощностью в цепи нагрузки. Входом усилителя здесь является управляющая обмотка, выходом — нагрузка с независимым источником питания от сети переменного тока.
В рассмотренной схеме на выходе усилителя действует переменный ток. Если в цепь питания включить выпрямитель, как показано на рис. 4-26,а, то ток нагрузки будет постоянным.
По сравнению с ранее рассмотренной, последняя схема отличается конструкцией магнитопровода. Вместо двух магнитопроводов применен один — трехстержневой. Управляющая обмотка располагается на среднем стержне, куда магнитный поток, обусловленный переменным напряжением питания силовых обмоток, не проникает, так как крайние катушки образуют в нем встречные, взаимно компенсирующиеся магнитные поля. Поэтому в управляющей обмотке не наводится ток со стороны рабочей обмотки.
Основная характеристика усилителя — это зависимость между величинами на входе и выходе. На рис. 4-27 показана зависимость тока нагрузки Iн от управляющего тока Iу, называемая нагрузочной характеристикой.
Рис. 4-26. Магнитный усилитель с выходом на постоянном токе. а — схема усилителя: б — обмотка управления, намотанная на магнитопровода из двух сердечников.
Рис. 4-27. Нагрузочная характеристика однотактного магнитного усилителя.
При Iу=0 ток нагрузки отличается от нуля; он называется током холостого хода Iн.х.х магнитного усилителя. Его значение зависит от качества ферромагнетика, из которого выполнен магнитопровод. В определенных пределах нагрузочная характеристика близка к линейной. Линейность характеристики нарушается при насыщении стали магнитопровода. Разделение трехстержневого магнитопровода на два тороидальных с общей обмоткой управления (рис. 4-26,б) позволяет несколько удлинить линейный участок нагрузочной характеристики.
Магнитный усилитель обычно имеет не одну, а несколько управляющих обмоток, тогда управляющий сигнал вырабатывается суммарным действием токов, обтекающих все обмотки управления.
Коэффициент усиления магнитного усилителя по мощности зависит от параметров его катушек.
Из закона полного тока для магнитопровода идеального МУ1 следует:
(4-4)
тогда, подставив в (4-1) выражение для мощности через ток и сопротивление, получим:
(4-5)
Для получения необходимых характеристик магнитных усилителей вводятся обратные связи. Суть обратной связи заключается в том, что часть энергии из цепи нагрузки (выхода) направляется в управляющую цепь (на вход). Во всех случаях обратная связь осуществляется выпрямленным током нагрузки. По роду действия и исполнению различают положительные и отрицательные, внешние и внутренние обратные связи.
Положительная обратная связь осуществляется таким образом, что м. д. с., обусловленная током обратной связи, совпадает по направлению с м. д. с. обмотки управления. Положительная обратная связь увеличивает коэффициент усиления и повышает чувствительность магнитного усилителя к управляющему сигналу.
Отрицательная обратная связь имеет место, когда м. д. с. обратной связи и обмотки управления направлены встречно. Отрицательные обратные связи вводятся особо для повышения устойчивости систем управления, для поддержания постоянства скорости электропривода при изменяющейся нагрузке и в некоторых других случаях.
Внешняя обратная связь выполняется таким образом, что ток обратной связи, являющийся функцией выходной величины, по которой осуществляется обратная связь, проходит через особую дополнительную обмотку, располагаемую на тех же стержнях магнитопровода усилителя, что и обмотки управления.
Внутренняя обратная связь осуществляется без дополнительных обмоток и выполняется по выпрямленному току нагрузки. При этом м. д. с. тока обратной связи складывается с м. д. с. рабочего тока в силовой обмотке магнитного усилителя.
Смешение в магнитных усилителях применяется в качестве дополнительного средства для получения желаемого вида нагрузочных характеристик, например такой, когда линейная часть кривой намагничивания соответствует области изменения тока управления. Смещение достигается созданием начального подмагничивания с помощью специальной обмотки (обмотки смещения), через которую пропускают выпрямленный ток от источника переменного напряжения. Для изменения смещения ток подмагничивания регулируется переменным сопротивлением в цепи смещения.
Рис. 4-31. Магнитный усилитель с обратной связью и смещением.
а —схема соединений; б — характеристика для разных к.
1 Идеальным называется магнитный усилитель с прямоугольной характеристикой намагничивания магнитопровода.
На рис. 4-31,а показана схема магнитного усилителя с внешней обратной связью и смещением характеристик. Токи обратной связи и смещения регулируются переменными сопротивлениями rо.с и гсм соответственно. На рис. 4-31,б показаны характеристики МУ с постоянным коэффициентом обратной связи для различных значений тока смещения.
Смещение дает возможность выбора пределов управляющего тока на прямолинейной, т. е. рабочей, части характеристики; при этом, как видно из рис. 4-31,б, изменяется значение хода холостого хода МУ. При отрицательном смещении (Icм<0), вследствие несимметричности характеристик ток холостого хода (при Iу—0) может достигать значений, соответствующих возможному максимуму нагрузочного тока, определяемому насыщением магнитопровода. При положительном смещении (Icм>0) ток холостого хода меняется меньше, его изменение зависит от наклона характеристик, определяемого коэффициентом обратной связи.
Релейный режим МУ. При значениях коэффициента обратной связи, превышающих единицу, нарушается однозначная связь между током управления и током нагрузки, рабочая часть характеристики приближается к вертикали (кривая для koc=kр на рис. 4-28,б) и в некотором, очень узком диапазоне управляющего тока происходит скачкообразное изменение тока нагрузки. Магнитный усилитель при этом работает в качестве двухпозиционного бесконтактного коммутатора в релейном режиме с двумя стабильными значениями выходного тока. Режим нагрузки характеризуется двумя состояниями: «включено» и «выключено». Усилитель, работающий в таком режиме, называют магнитным реле, или триггером. Ток смещения тогда определяет значение управляющего тока, при котором реле (триггер) срабатывает.
Двухтактные магнитные усилители имеют нагрузочную характеристику, отличающуюся от рассмотренных тем, что при отсутствии управляющего сигнала ток нагрузки равен нулю (Iх.х=0) и при изменении полярности управляющего сигнала меняется полярность напряжения на выходе при напряжении постоянного тока на выходе. Однако двухтактные МУ могут быть выполнены с выходом и на переменном токе. Если МУ работает с переменным напряжением на выходе, то при изменении полярности входного сигнала на обмотке управления фаза выходного напряжения меняется на 180o.
При работе МУ с выходом на постоянном токе направление тока нагрузки меняется на противоположное при изменении полярности входного сигнала. Рассмотрим в качестве примера работу двухтактного МУ с выходом на постоянном токе.
Двухтактная схема (рис. 4-32,а) состоит из двух однотактных магнитных усилителей 1МУ и 2МУ, на выходе которых проходят выпрямленные токи Л и 1г. Ток нагрузки, как показано на рис. 4-32,а, определяется алгебраической суммой этих токов Iн=I1+I2. Если нагрузочные характеристики усилителей 1МУ и 2МУ симметричны относительно оси Iв, как это имеет место у обычного дросселя насыщения (см. рис. 4-27), то при любом значении тока управляющей цепи ток нагрузки равен нулю, поскольку I1 =-I2 при любом Iу (штриховые кривые на рис. 4-32,б).
Рис. 4-32. Двухтактный магнитный усилитель с выходом на постоянном токе: а —схема; б — нагрузочная характеристика.
В схеме усилителей применена обратная связь, которая, как показано выше, деформирует характеристику однотактного МУ (рис. 4-28,б), поворачивая ее на некоторый угол и сдвигая по отношению к оси ординат (кривые 1МУ и 2МУ на рис. 4-32,б). Зависимость тока нагрузки IΗ=I1+I2 от тока управляющей цепи для этого случая изображена на рис. 4-32,б кривой МУобщ.
Намотка катушек ωо.с и ωу на стержнях магнитопроводов МУ1 и МУ2 выполнена таким образом, что в одном из двух МУ направления м. д. с. обмотки обратной связи Fо.c и м. д. с. обмотки управления Fy совпадают, а в другом они противоположны. Тогда в первом МУ при увеличении входного сигнала происходит насыщение усилителя и, следовательно, увеличение выходного тока I1. Второй усилитель при этом ненасыщен и ток выхода в пределах прямолинейной части его характеристики снижается.
Сдвиг нагрузочных характеристик, необходимый для работы двухтактной схемы, может быть получек также при использовании смещения (рис. 4-31,б).
Существуют схемы с применением обоих средств деформации нагрузочных характеристик: смещения и обратной связи.
Крутизна нагрузочной характеристики, изображаемой кривой МУобщ, определяющая коэффициент усиления двухтактного МУ, зависит от коэффициента обратной связи обоих усилителей. Сопротивления (балластные сопротивления) введены в схему (рис. 4-32,а) для того, чтобы исключить шунтирующее действие выпрямителей друг на друга.
Основные достоинства н недостатки МУ. Магнитные усилители представляют собой статические аппараты высокой надежности. Наличие нескольких управляющих обмоток позволяет использовать МУ в качестве суммирующего устройства, выходная величина которого образуется в результате совместного действия нескольких управляющих сигналов. Ввиду этой особенности МУ весьма широко применяются в различных системах автоматического управления.
Главным недостатком МУ является инерционность, обусловленная индуктивностью его обмоток. Инерционность МУ возрастает при увеличении коэффициента усиления и снижается с увеличением коэффициента обратной связи. Инерционность МУ снижается также при повышении частоты питающего тока.
Предприятия электротехнической промышленности выпускают магнитные усилители и дроссели насыщения (силовые МУ большой мощности) с мощностью нагрузки до 80 кВт и коэффициентом усиления до kр=15 000. В установках гидромеханизации применяются трехфазные МУ (дроссели насыщения) типа УМЗЛ и однофазные с тороидальным магнитопроводом — типа УСО.
Ламповые и полупроводниковые усилители.
Электронно-ламповые и полупроводниковые усилители, так же как и другие усилительные устройства, содержат цепи входа и выхода. В первом случае активным элементом, обеспечивающим усиление, является вакуумная лампа, а во втором — полупроводниковый триод — транзистор.
Физическая сущность процессов, протекающих в электронной лампе и полупроводниковом триоде, различна. Однако по своей структуре электрические схемы и принцип работы ламповых и транзисторных усилителей аналогичны, поэтому ниже они рассматриваются параллельно.
Ламповые и полупроводниковые триоды в схемах усилителей могут включаться различно.
По общей классификации электрических цепей усилители являются четырехполюсниками, потому что они содержат по два контакта на входе и на выходе.
Триод же имеет всего три электрода; в связи с этим один из них в схеме четырехполюсника должен быть общим для входа и выхода. Общий электрод обычно заземляется или соединяется с точкой кулевого потенциала по переменному току (в ряде случаев общие электроды могут не заземляться). Схемы с общим электродом на входе и выходе поэтому называются обычно схемами с данным заземленным электродом.
Используются три разновидности соединения триодов в усилителях: 1) с заземленной (общей) сеткой в ламповых или общей базой — в транзисторных схемах; 2) с заземленным катодом или эмиттером; 3) так называемые катодные, или эмиттерные, повторители, в которых общим (заземленным), по переменному току электродом является анод (коллектор).
Названные схемы обладают различными свойствами.
Усилители с общей базой, аналогией которых в ламповых усилителях являются схемы с общей сеткой (рис. 4-33), характеризуются значительным усилением по напряжению и мощности. В ламповом усилителе входной сигнал подается на катод. Постоянное напряжение смещения, посредством которого устанавливается оптимальная точка на характеристике лампы, от батареи Бс прикладывается между катодом и сеткой. Средний потенциал анода определяется анодной батареей Ба.
В транзисторной схеме база аналогична сетке, эмиттер —катоду и коллектор — аноду.
Напряжение выхода в обоих случаях снимается с сопротивления нагрузки rн, включенного в цепь анода; в полупроводниковом усилителе — в цепь коллектора.
Эффект усиления в таких схемах достигается вследствие того, что входное сопротивление усилителя во много раз меньше выходного, хотя токи катода (эмиттера) и анода (коллектора) могут представлять собой величины одного порядка.
Схемы с общей сеткой (в полупроводниковых схемах — с общей базой) выполняют роль сопротивлений для согласования низкоомных источников сигналов с нагрузкой, имеющей большое сопротивление. Фазы входного и выходного сигналов совпадают.
Усилитель с общим катодом (в полупроводниковой схеме — эмиттером), представленный на рис. 4-34, обладает наибольшим коэффициентом усиления по сравнению с двумя другими схемами. Входной сигнал, как и в предыдущей схеме, подается на цепь катод — сетка (эмиттер—база — в транзисторном усилителе), а напряжение выхода снимается с нагрузочного сопротивления, включенного непосредственно в анодную (коллекторную) цепь на участке катод—анод (эмиттер- коллектор).
В приведенных схемах входное и выходное сопротивления соизмеримы, они определяются величинами одного порядка. Как правило, сопротивление выхода несколько больше входного.
Сеточный ток ламповой и ток базы транзисторной схем мал по сравнению с током, протекающим соответственно между катодом и анодом либо эмиттером и коллектором. Коэффициент усиления по току в данной схеме может быть очень велик.
Рис. 4-34. Усилитель с общим катодом (эмиттером). а — электронно-ламповый; б — транзисторный.
Рис. 4-35. Усилитель с общим анодом (коллектором).
а — электронно-ламповый; б - транзисторные.
При больших значениях сопротивления нагрузки rн (что обеспечивает сужение полосы усиливаемых частот) коэффициент усиления по напряжению может быть также достаточно высоким. Коэффициент усиления по мощности равен произведению коэффициентов усиления по току и напряжению.
В отличие от предыдущей, в схеме с заземленным общим катодом или эмиттером происходит изменение фазы выходного сигнала на 180°. Это означает, что сигналы на входе и выходе имеют различную полярность — режим инвертора1.
В приведенной схеме (рис. 4-34) применен транзистор с переходом типа р-п-р, в связи с чем полярность на его электродах отличается от полярности в ламповой схеме. Если применить полупроводниковый триод типа n-p-n, полярность на эмиттере и коллекторе следует заменить противоположной.
Усилитель с общим анодом (коллектором) изображен на рис. 4-35,а, б. Фазы входа и выхода усилителя совпадают, поэтому ламповая схема с общим анодом носит название катодного повторителя. Усилитель, как ламповый, так и транзисторный, имеет высокое входное и низкое выходное сопротивления, благодаря чему он может быть использован как понижающий трансформатор сопротивлений для согласования источников входного сигнала с высоким сопротивлением и с низким сопротивлением нагрузки,
Коэффициент усиления по напряжению в данной схеме не может быть выше единицы, зато коэффициент усиления по току и мощности может принимать довольно большие значения.
Общим правилом включения полупроводниковых триодов является непременное соблюдение правильной полярности прикладываемых напряжений смещения. Подача неправильной полярности на транзистор выводит его из строя. Знак напряжения, прикладываемого к электродам транзистора, зависит от типа перехода (р-п-р или п-р-п).
При необходимости значительного усиления входного сигнала применяют схемы многократного усиления с помощью нескольких последовательно включенных усилителей. В многокаскадных схемах выходной сигнал предыдущей ступени является входным для последующей ступени усиления. При этом междукаскадные связи должны предотвращать передачу постоянной слагающей сигнала, что обеспечивается применением трансформаторных либо R—С-связей.
Общий коэффициент усиления каскадной схемы усиления равен произведению коэффициентов усиления всех входящих в нее ступеней.
1 Под инвертированием понимается как процесс преобразования постоянного тока в переменный, так и процесс изменения знака электрического сигнала на обратный.
В качестве единицы измерения усиления по мощности в электронных схемах принят децибел (дБ):
Общий коэффициент усиления многокаскадных схем, выраженный в децибелах, равен сумме коэффициентов усиления ступеней. Применение децибела в качестве единицы усиления упрощает расчеты.
