Электрометрические и измерительные усилители

Эти усилители предназначены для измерения напряжения и тока сверхмалых значений. Измерение напряжения производится в диапазоне от 0 до 100 мВ, а измерение тока — от 10^-16 до 10^-3 А. Для электрометрических усилителей основным параметром является большое входное сопротивление. Они работают в области частот от 0 до 10 Гц. Основной погрешностью этих усилителей является временной и температурный дрейфы нуля. Электрометрические усилители нашли большое применение для усиления малых сигналов и потенциалов различных датчиков.

На рис. 5.5 показана схема и характеристики термостабильного электрометрического усилителя, который позволяет измерять минимальный ток 10^-5 А. Выходное напряжение при этом равно 50 мВ. Усилитель содержит входной каскад на сборке полевых транзисторов DA₁. Сигнал с полевых транзисторов подается на вход ОУ. Для балансировки схемы служат потенциометры R₅ и R₁₀. Временной дрейф схемы составляет 20 мВ/ч, а температурный — 5 мВ/°С.

Рисунок 5.5. Схема электрометрического усилителя (а) и его частотная характеристика (б).

Многокаскадные усилители

Разработка многокаскадных усилителей связана с тем, что получить большой (более 100) коэффициент усиления на одном активном элементе практически нельзя. Многокаскадные усилители должны строиться с таким расчетом, чтобы при большом коэффициенте усиления в устройстве не возникали паразитные колебания. Для исключения паразитных возбуждений приходится применять специальные меры. К ним относятся:

- разделение общего коэффициента усиления на нечетное число каскадов;

- питание каждого каскада от своего источника (или имеется индивидуальная конденсаторная развязка);

- максимальное удаление выхода последнего каскада от входа первого каскада.

Рисунок 5.6. Трёхкаскадный усилитель с конденсаторной связью

На рис. 5.6 показана схема трехкаскадного усилителя с конденсаторной развязкой между каскадами. Режим по постоянному току у каждого каскада свой. Входной переменный сигнал проходит от каскада к каскаду через разделительные конденсаторы.

Усилители мощности

Мощные усилители низкой частоты гармонических сигналов являются необходимым элементом любых систем.

Одним из основных параметров этих усилителей является коэффициент усиления по мощности, который зависит от сопротивления нагрузки и входного сопротивления, а также от изменения питающего напряжения.

Рабочий диапазон частот — это полоса частот усилителя, в которой коэффициент усиления остается неизменным. Для усилителей низких частот (УНЧ) рабочий диапазон с удовлетворительными качествами лежит в диапазоне от 16 Гц до 20 кГц. В УНЧ, работающих в полосе частот от 50 Гц до 10 кГц, неравномерность коэффициента усиления частот составляет менее 5 дБ.

Рисунок 5.7. Схема бестрансформаторного усилителя мощности

Нелинейные искажения в УНЧ обусловлены динамической характеристикой. При повышении уровня входного сигнала увеличивается выходная мощность, но возрастает и уровень нелинейных искажений. Искажения менее 1 % для определенной мощности на выходе считаются небольшими и вполне допустимыми для качественного воспроизведения звука. Динамический диапазон усилителя — это разность U_max - U_min, где U_min — превышение номинального уровня выходного сигнала над минимальным уровнем, еще различимым на фоне собственных шумов. Верхний предел выходного сигнала ограничивается заданной нормой нелинейных искажений и номиналом питающего напряжения.

Импульсные усилители

Импульсный сигнал имеет широкий спектр частот, которые должны усиливаться электронным устройством. Ограничение полосы пропускания усилителя приводит к искажениям формы выходного импульса по сравнению со входным. Наибольшие искажения возникают при усилении сигналов прямоугольной формы.

Параметрами, характеризующими искажения, являются длительности переднего фронта t_ф и заднего склона t_c, спад вершины импульса ΔU_с и выброс на вершине импульса ΔU_B (рис. 5.8).

Из теории известно, что вершину импульса (медленное изменение напряжения) определяет низкочастотная часть амплитудно-частотной характеристики усилителя, а передний и задний склоны (быстрое изменение напряжения) — ее высокочастотная часть. Следовательно, для неискаженной передачи импульсов прямоугольной формы через усилитель верхняя граничная частота F_B полосы пропускания усилителя должна стремиться к бесконечности, а нижняя граничная частота F_H — к нулю. В обычных условиях это практически невозможно выполнить.

Рисунок 5.8. Параметры импульса Рисунок 5.9 Схема импульсного усилителя

Поэтому требования, предъявляемые к t_ф, t_c и ΔU_C зависят от конкретных условий. Во многих случаях выходной импульс считается удовлетворительным, если t_ф = t_c = (0,1...0,2)t_и, относительный спад вершины импульса:

а относительный выброс на вершине импульса:

Схема импульсного усилителя представлена на рис. 5.9.

Раздел IV Реле

Тема 6 Электрические реле

Электромагнитные реле

В системах автоматики и телемеханики одним из наиболее распространенных элементов является реле. Реле — это устройство, которое автоматически осуществляет скачкообразное изменение (переключение) выходного сигнала под воздействием управляющего сигнала, изменяющегося непрерывно в определенных пределах.

Электрическое реле является промежуточным элементом, который приводит в действие одну или несколько управляемых электрических цепей при воздействии на него определенных электрических сигналов управляющей цепи (рис. 6.1).

Основные параметры реле:

- мощность срабатывания Р_ср — минимальная электрическая мощность, которая должна быть подведена к реле от управляющей цепи для его надежного срабатывания, т. е. приведения в действие управляемой цепи. Эта мощность определяется общими электрическими и конструктивными параметрами реле;

- мощность управления Р_у — максимальная электрическая мощность в управляемой цепи, при которой контакты реле еще работают надежно. Мощность управления определяется параметрами контактов реле, переключающих управляемую цепь.

Рисунок 6.1. Структурная схема включения реле в систему автоматического управления:

х- контролируемая величина; Д- датчик; Р- реле; ИУ- исполнительные устройства; К- контакт реле.

Выбор соответствующего типа реле производится на основании значений Р_ср и Р_у, так как эти параметры постоянны для отдельных конструкций реле;

допустимая разрывная мощность Р_р — мощность в цепи, разрываемой контактами при определенном токе или напряжении без образования устойчивой электрической дуги при данном напряжении;

коэффициент управления K_у — величина, характеризующая отношение управляемой мощности к мощности срабатывания реле: K_у= Р_у/Р_ср ≥1;

время срабатывания t_cp — интервал времени от момента поступления сигнала из управляющей цепи до момента начала воздействия реле на управляемую цепь. Допустимое значение t_cp определяется необходимой быстротой передачи сигнала в управляемую цепь.

Существующие типы реле можно классифицировать по следующим основным признакам:

назначению — управления, защиты и сигнализации;

принципу действия — электромеханические (электромагнитные, нейтральные, электромагнитные поляризованные, магнитоэлектрические, электродинамические, индукционные, электротермические), магнитные бесконтактные, электронные, триггерные (бесконтактно-электронные), фотоэлектронные, ионные;

измеряемой величине — электрические (тока, напряжения, мощности, сопротивления, частоты, коэффициента мощности), механические (силы, давления, скорости, перемещения, уровня, объема и др.), тепловые (температуры, количества теплоты), оптические, силы звука и других физических величин (времени, вязкости и др.);

мощности управления — маломощные с мощностью управления Р_у ≤1 Вт, средней мощности с Р_у = 1... 10 Вт, мощные с Р_у > 10 Вт;

времени срабатывания — безынерционные (t_ср ≤ 0,001 с), быстродействующие (t_cp = 0,001...0,050 с), замедленные (t_ср = 0,15... 1,00 с), реле времени (t_cp > 1 с).

Наиболее распространены электромеханические реле, в которых изменение входной электрической величины вызывает механическое перемещение подвижной части — якоря, приводящее к замыканию или размыканию контактов.