Раздел III Усилительные элементы систем автоматики
Тема 4 Классификация и общие сведения об усилителях систем автоматики
Классификация усилителей
Выходные сигналы датчиков и других элементов во многих случаях оказываются слабыми и недостаточными для приведения в действие последующих элементов систем автоматического управления, например реле, не говоря уже о таких исполнительных устройствах, как электродвигатели и тяговые электромагниты. Поэтому возникает необходимость усиления сигналов управления, измерения и контроля с помощью усилителей.
Усилителемназывается устройство, предназначенное для увеличения мощности сигнала за счет энергии N дополнительного источника питания; при этом выходная (усиленная) величина уявляется функцией входного сигнала хи имеет одинаковую с ним физическую природу. Усилители относятся к активным элементам автоматики (рис. 4.1, б).
В зависимости от вида энергии, получаемой от дополнительного источника питания, различают электрические, пневматические, гидравлические, механические и другие усилители.
Наиболее широкое применение находят электрические усилители, так как они обладают высокой чувствительностью, допускают сравнительно простую регулировку коэффициента усиления, хорошо сочетаются с электрическими исполнительными устройствами (двигателями, электромагнитами и т.п.).
Рисунок 4.1 Функциональные схемы элементов САУ:
а- пассивный элемент (Э); б- активный элемент Э (усилитель);
в – элемент с обратной связью (ОС).
По принципу действия электрические усилители делятся на две группы:
Первую группу составляют усилители, в основу которых положен усилительный элемент (электронная лампа, транзистор, управляемая индуктивность, управляемая емкость). В таких усилителях маломощный входной сигнал управляет передачей гораздо большей энергии от источника питания в полезную нагрузку, присоединенную к выходу усилителя. В соответствии с типом управляющего (усилительного) элемента различают ламповые, транзисторные, магнитные, диэлектрические усилители. Ламповые и транзисторные усилители часто объединяют названием электронные усилители, так как принцип их действия основан на электронных процессах в вакууме и полупроводнике.
Электронные усилители можно разделить по следующим признакам:
- виду активного элемента — ламповые, транзисторные, на туннельных диодах, параметрических диодах;
- диапазону частот — электрометрические, постоянного тока, низкой частоты, радио- и промежуточных частот, СВЧ;
- ширине полосы частот — узкополосные, широкополосные;
- виду сигнала — гармонические, импульсные;
- электрическому параметру — напряжение, ток, мощность;
- типу нагрузки — резисторные, резонансные.
На рис. 4.2 показаны диапазоны частот различных типов усилителей.
Рисунок 4.2. Диапозоны частот различных типов усилителей
Вторую группу составляют усилители, в которых происходит преобразование энергии питания, отличной от вида энергии выходного и управляющего сигналов. Наиболее типичным для этой группы является электромашинный усилитель, в котором механическая энергия привода преобразуется в электрическую энергию.
По характеру усиливаемых электрических сигналов различают:
- усилители непрерывных сигналов различных величин и форм;
- импульсные усилители, предназначенные для усиления импульсных периодических и непериодических сигналов.
По частоте усиливаемых сигналов различают:
- усилители переменного тока, усиливающие сигналы в полосе частот от нижней рабочей частоты fн > 0 до верхней рабочей частоты fв, но не усиливающие их постоянную составляющую;
- усилители постоянного тока, усиливающие в полосе частот от нуля (fH = 0) до fв как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую.
Управляющий (усилительный) элемент вместе с резисторами, конденсаторами и другими деталями схемы принято называть усилительным каскадом. При недостаточном усилении сигнала одним каскадом используется соединение нескольких каскадов, выполняющих роль предварительного усиления и обеспечивающих работу мощного выходного каскада. Исходя из этого различают однокаскадные и многокаскадные усилители. Каскады нумеруются в возрастающем порядке от входа к выходу усилителя, при этом первый каскад от входа называется входным, а последний — выходным (оконечным).
Рисунок 4.3. Характеристики управления элементов:
а - непрерывная нелинейная; б- с ограниченной зоной линейности;
в - с зоной нечувствительности; г- с зоной нечувствительности и насыщения; д - релейная с зоной нечувствительности; е - идеальная релейная;
ж - с зоной нечувствительности и неоднозначностью;
з - с неоднозначностью; и - с петлёй гистерезиса.
Основными характеристиками и параметрами усилителей систем автоматического управления являются:
- характеристика управления;
- динамические характеристики;
- коэффициент усиления мощности;
- входное и выходное сопротивления;
- коэффициент полезного действия (для выходных каскадов);
- уровень собственных шумов.
Характеристики управления усилителей (рис. 4.3) чаще всего нелинейные и могут быть, в частности, с зонами нечувствительности и насыщения; с зонами нечувствительности, насыщения и неоднозначностью; релейного типа. По форме эти характеристики аналогичны некоторым характеристикам управления, приведенным ранее. Следует отметить, что от усилителя в ряде случаев требуется существенно нелинейная (релейная) зависимость между выходной и входной величинами. В релейном режиме практически может работать любой усилитель, при этом часто используется релейный режим работы электронных и магнитных усилителей. Так, например, транзисторные усилители в релейном режиме широко применяются в системах импульсного управления электродвигателями и электромагнитными механизмами.
Характеристики усилителей
Одним из важных параметров усилителя является коэффициент усиления мощности, который в установившимся режиме определяется соотношением
где Рвых, Рвх — мощности выходного и входного сигналов.
Однако в ряде случаев практическое значение имеет не усиление мощности сигнала, а увеличение его уровня по напряжению или току. В связи с этим принято условное подразделение на усилители мощности, усилители напряжения, усилители тока, хотя принципиально все они являются усилителями мощности и у каждого из них Pвых > Pвх.
Для усилителей напряжения и тока соответственно различают коэффициенты усиления по напряжению и току, которые в установившемся режиме определяются соотношениями:
где Uвых, Uвх, Iвых, Iвх — соответственно напряжения и токи выходного и входного сигналов.
Режим работы усилителя определяется соотношениями входного Rвх и выходного Rвых сопротивлений и сопротивлений источников сигнала RГ и нагрузки RH.
Для усилителя напряжения RГ << Rвх, Rн >> Rвых, т.е. он работает в режиме, практически близком к холостому ходу на выходе; входной и выходной его величинами является напряжение.
Для усилителя тока RГ >> Rвх, RH << Rвых, т.е. он работает в режиме, практически близком к короткому замыканию на выходе; входной и выходной величинами здесь является ток.
Для усилителя мощности Rвх ≈ RГ, RH ≈ Rвых, т.е. он работает в условиях согласованной нагрузки, при этом выходной величиной является мощность (максимальная в условиях согласования).
К усилителю напряжения предъявляется дополнительное требование Uвых > Uвх, в то время как в усилителях мощности оно может и не выполняться. Однако усилитель мощности должен отдавать в нагрузку определенную мощность при соответствующей амплитуде входного сигнала.
Коэффициент усиления мощности в зависимости от принципа действия и конструкции усилителя может составлять 1... 107.
Обычно коэффициент усиления является безразмерной величиной, поскольку входные и выходные величины в усилителях имеют одинаковую размерность. В некоторых случаях коэффициент усиления может иметь размерность. Например, усилители напряжения с токовым выходом характеризуются коэффициентом усиления — крутизной:
Для усилителей большой мощности важным показателем является коэффициент полезного действия, представляющий собой отношение мощности, отдаваемой в нагрузку, к потребляемой мощности.
Динамические свойства усилителей определяются их частотными характеристиками.
По частотным характеристикам можно оценивать вносимые усилителем нелинейные искажения — отклонения формы выходного сигнала от формы входного сигнала, обусловленные наличием в усилителе реактивных элементов.
При подаче на вход усилителя сложного периодического колебания отдельные гармонические составляющие неодинаково усиливаются им и по-разному сдвигаются во времени (т. е. по фазе). В усилителе при изменении частоты сигнала коэффициент усиления меняется как по модулю, так и по фазе из-за наличия в схеме реактивных сопротивлений. Таким образом, неодинаковое усиление различных частот и сдвиг фазы приводят к искажению формы выходного сигнала. Чаще всего усиление уменьшается на высоких и низких частотах.
При рассмотрении частотных характеристик усилителей и искажений усиливаемого сигнала вводятся понятия граничной частоты и полосы пропускания.
Граничной частотой fгр(ωгр)называется частота, при которой усиление уменьшается на заданное значение от усиления, принятого за номинальное.
Обычно принимают, что граничная частота соответствует уменьшению усиления относительно максимального значения до уровня = 0,707 по напряжению или току и до уровня 0,5 по мощности, т.е. в обоих случаях на 3 дБ. Граничная частота может быть верхней fв(ωв = 2πfB) и нижней fн(ωн = 2πfн)(рис. 4.4, а, б) в зависимости от того, по какую сторону от частоты ω0, соответствующей максимальному значению коэффициента усиления K0, амплитудно-частотной характеристики она расположена.
Диапазон частот fн…fв (ωн…ωв)носит название условной полосы пропускания.
Рисунок 4.4 Амплитудно-частотные характеристики усилителей:
а- переменного тока избирательного; б- переменного тока широкополосного;
в- постоянного тока.
По виду амплитудно-частотной характеристики и полосе частот усилители подразделяют на избирательные (см. рис. 4.4, а), для которых справедливо соотношение 
или ωв ≈ ωн, и широкополосные (см. рис. 4.4, б), которые характеризуются большим превышением верхней граничной частоты над нижней: ωв >> ωн. В широкополосных усилителях различают области высших и низших частот, т. е. области, где существенны амплитудно- и фазочастотные искажения, а также область средних частот, где искажения невелики.
Особый класс составляют усилители постоянного тока, амплитудно-частотная характеристика которых представлена на рис. 4.4, в. Эти усилители способны воспроизводить сколь угодно медленно изменяющие сигналы.
В усилителях существуют также нелинейные искажения, обусловленные наличием в них элементов с нелинейными характеристиками (нелинейной связью тока и напряжения на одних и тех же зажимах, нелинейной зависимостью тока в одной цепи от напряжения в другой цепи и т.п.). Нелинейные искажения могут вносить, например, трансформаторы (вследствие нелинейности характеристики намагничивания материала их сердечников) и транзисторы.
При рассмотрении нелинейных искажений усиливаемого синусоидального сигнала несинусоидальный выходной сигнал можно разложить в ряд, состоящий из основной гармоники с частотой входного сигнала и ряда высших гармоник. Нелинейные искажения в усилителях гармонических сигналов оцениваются коэффициентом нелинейных искажений:
 |
где U1, I1, — действующие значения первых гармоник напряжения и тока на выходе;
Un, In — действующие значения n-ых гармоник напряжения и тока на выходе;
n — номер гармоники.
Допустимое значение коэффициента нелинейных искажений определяется назначением усилителя.
Работа усилителей сопровождается собственными шумами, в состав которых входят тепловые шумы, шумы управляющих (усилительных) элементов и т.п. Шумы на выходе не должны превышать определенного уровня, т.е. некоторой заранее установленной доли от выходного сигнала, так как в противном случае выходной сигнал может получиться недопустимо искаженным.
В современных системах автоматики выражена тенденция к расширению использования полупроводниковых транзисторных усилителей, которые в наибольшей степени отвечают таким основным требованиям, предъявляемым к усилителям, как высокая надежность, большой срок службы, малогабаритность и постоянная готовность к действию.
Переходной характеристикой называется зависимость мгновенного значения выходной величины от времени при импульсном изменении входной величины.
Динамический диапазон определяется отношением:
Как правило, во всех усилителях стремятся к созданию большого входного сопротивления и малого выходного сопротивления. Это позволяет не шунтировать входной сигнал со стороны генератора и уменьшать влияние нагрузки на параметры усилителя.
Режимы работы усилителя делятся на классы: А, В, АВ, С и Д — классы усиления сигналов.
При работе усилителя в режиме А (рис. 4.5, а) переменный ток протекает в выходной цепи в течение всего периода. От источника питания непрерывно, независимо от уровня входного сигнала, потребляется одна и та же мощность, пропорциональная току в рабочей точке. КПД усилителя при этом низкий.
Режим В (рис. 45, б) характеризуется тем, что ток покоя равен нулю. Угол отсечки равен 180°. Ток протекает в течение полупериода. Усилитель имеет высокий КПД. Применяется в силовых устройствах. Имеет большие нелинейные искажения.
В режиме АВ (рис. 4.5, в) угол отсечки от 180 до 360°. КПД по сравнению с режимом В выше, а нелинейные искажения меньше.
В режиме С (рис. 4.5, г) угол отсечки меньше 180°, появляются большие нелинейные искажения. Усилитель применяется в умножителях частоты.
В режиме Д (рис. 4.5, д) усилитель преобразует гармонический сигнал в импульсный.
а б в г д
Рисунок 4.5 Входные и выходные сигналы усилителей
при различных режимах работы:
а- режим А; б- режим В; в- режим АВ; г- режим С; д- режимД
Обратные связи в усилителях
Обратной связью называется передача сигнала с выхода на вход. Если за счет обратной связи значение сигнала на выходе увеличивается, обратная связь называется положительной. Если выходной сигнал понижается, обратная связь называется отрицательной. Обратные связи могут производиться по напряжению и току.
Рисунок 4.6. Обратные связи в усилителях:
а,б – по напряжению; в,г – по току.
На рис. 4.6, а, б показаны обратные связи по напряжению, а на рис. 4.6, в, г — по току. Обратная связь по напряжению перестает действовать при коротком замыкании на выходе. Обратная связь по току перестает действовать при холостом ходе на выходе.
Во всех схемах с обратной связью коэффициент передачи усилителя:
где U1 U2 — напряжения соответственно на входе и выходе усилителя.
Коэффициент обратной связи усилителя определяется отношением:
где Uo.c — напряжение обратной связи
Для схем, показанных на рис. 4.6, а, б, имеем:
где U3 — напряжение на входе усилителя при наличии напряжения обратной связи Uo.c..
Тогда коэффициент усиления каскада (коэффициент передачи):
где K = U2/U3 — коэффициент усиления без обратной связи.
Отрицательная обратная связь существенно влияет на технические параметры усилителя. При наличии этой связи: уменьшаются нелинейные, частотные, фазовые искажения и шумы; повышается стабильность коэффициента передачи; уменьшается выходное и увеличивается входное сопротивления.
К недостаткам отрицательной обратной связи следует отнести уменьшение коэффициента усиления.
Положительная обратная связь применяется в генераторах для возбуждения незатухающих гармонических колебаний. Эта связь определяет стабильность частоты сигнала генератора.