Усилители систем автоматики

Выходные сигналы датчиков и других элементов, как правило, очень слабые и не могут использоваться непосредственно для приведения в действие элементов систем автоматики. Выходная мощность датчиков в большинстве случаев составляет сотые, тысячные доли ват­та, тогда как мощность, необходимая для управляющего органа, может достигать десятков и даже сотен киловатт. Поэтому в современных автоматических системах управления широко применяют усилительные элементы (усилители), которые нередко наряду с основным назначением усиливать мощность сигнала выполняют и функцию его преобразования в вид, более удобный для работы системы.

Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения мощности сигнала за счет энергии дополнительного источника питания, при этом выходная (усиленная) величина является функцией входного сигнала и имеет одинаковую с ним физическую природу.

Усилители различают по выходной мощности, виду подводимой вспомогательной энергии, коэффициенту усиления, принципу действия, по форме характеристики, выражающей зависимость между выходной и входной величинами, и по ряду иных признаков.

Для достижения таких значений необходимо включить последовательно несколько усилителей автоматики.

Единицы измерения входных и выходных сигналов усилителей одинаковые. Ими могут быть единицы мощности (Вт; кВт), напряжения (В), тока (А), скорости (м/с), давления (Па), силы (Н) и т.д. Соответственно единицам измерения величин коэффициент усиления может быть назван коэффициентом усиления по току, напряжению, давлению, но основным считают коэффициент усиления по мощности.

Коэффициент усиления усилителей достигает тысяч, сотен тысяч и даже более раз. В электрических усилителях различают усиление по мощности, напряжению и току.

Коэффициент усиления по мощности в зависимости от принципа действия и конструкции усилителя может составлять от 1 до 10⁷.

Усилению могут подвергаться не только электрические параметры, но и другие входные величины (перемещение, скорость, усиление, давление и т. п.). Усилительный элемент совместно с резисторами, конденсаторами и другими элементами схемы называют усилительным каскадом. Если усиления сигнала одним каскадом недостаточно, применяют соединение нескольких каскадов, выполняющих роль предварительного усиления и обеспечивающих работу мощного выходного каскада. Поэтому различают однокаскадные  и многокаскадные усилители, при этом в многокаскадном усилителе первый каскад от входа называется входным, а последний выходным.

Электронные усилители (ЭУ) широко применяются в системах автоматики для предварительного усиления сигналов, получаемых от датчиков. Предварительная выходная мощность усилителей на превышает 100 Вт (Ватт). К ним относятся усилители постоянного и переменного тока: ламповые, полупроводниковые, операционные, электромашинные, электромеханические и магнитные.

Полупроводниковые усилители характеризуются незначительной мощностью потребления, достаточной надежностью, высоким быстродействием, сравнительно большим коэффициентом усиления, малыми размерами и поэтому вытеснили ламповые усилители из многих сфер применения. Они могут работать на постоянном и переменном токе. По способу включения полупроводниковых триодов эти усилители делятся на три основных вида: с общей базой, с общим коллектором и с общим эмиттером.

Тиристорный усилитель. В качестве его основного усиливающего элемента используется тиристор, который в зависимости от числа выводов и назначения называется динистором, тринистором и семистором.

Динистор – это тиристор с двумя выводами (рис. 1). Для его включения необходимо, чтобы напряжение на нем превысило так называемое напряжение включения. Отключение динисторов происходит при снятии напряжения питания или уменьшении тока нагрузки до уровня тока выключения.

Рисунок 1. Схема включения тиристоров.

Тринистор – это тиристор с тремя выводами (рис. 2). Он включается при подаче напряжения включения или тока управления I_у на специальный управляющий электрод. Тринистор включается током управления I_у, сдвинутым по фазе относительно тока нагрузки I_н, с помощью специального фазосдвигающего устройства (ФСУ).

Рисунок 2. Статическая деформация тиристоров.

Рисунок 3. Диаграмма токов работы тиристора.

Отключение тринистора происходит при изменении полярности его напряжения питания или уменьшении тока нагрузки I_н до значения тока выключения. При питании тринистора переменным током (рис. 3) напряжение питания в течение каждого полупериода проходит через нуль, что создает естественные условия для отключения тиристора.

Семистор – это тиристор с четырьмя выводами. В нем предусмотрена возможность управлять переключением цепи переменного тока в течение положительного и отрицательного полупериодов переменного напряжения.

Магнитный усилитель представляет собой электромагнитный аппарат, принцип действия которого основан на зависимости магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника с катушкой переменного тока от подмагничивающего действия постоянного тока.

Чем больше постоянный ток в обмотке управления, тем сильнее магнитный поток, создаваемый обмоткой управления, а следовательно, тем выше насыщение сердечника. При этом магнитная проницаемость сердечника уменьшается, что приводит к снижению индуктивности рабочих обмоток, падению их реактивного сопротивления и увеличению тока нагрузки. Таким образом, незначительные изменения постоянного тока управления в подмагничивающей обмотке вызывают весьма существенные изменения переменного тока в рабочей обмотке. В этом и заключается эффект усиления магнитного усилителя. Характеристика магнитного усилителя – это зависимость тока нагрузки от подмагничивающего постоянного тока.

Преимущества магнитных усилителей: простое устройство, высокие коэффициент усиления, КПД, надежность и большой срок службы, отсутствие подвижных частей, нечувствительность К. температуре, ударам и вибрационным нагрузкам.

К недостаткам усилителей относятся большие габаритные размеры, масса и инерционность. Из-за больших постоянных времени они применимы только для усиления низкочастотных сигналов.

Гидравлические и пневматические усилители применяют в автоматических системах для усиления сигналов по мощности. Принципиальные схемы таких усилителей практически не отличаются одна от другой. Если в гидравлических усилителях перемещение испол­нительного органа происходит под действием жидкости, поступающей от специального насоса, то в пневматических рабочей средой является воздух, нагнетаемый специальным компрессором. В сельском хозяйстве гидравлические усилители используют чаще, чем пневматические (например, в гидравлическом оборудовании автомобилей, тракторов, комбайнов, при управлении навесными машинами и др.). Различают два класса гид­равлических усилителей: дроссельные и струйные.

Список используемой литературы

1. В.И. Загинайлов, Л.Н. Шеповалова «Основы автоматики», Москва «КОЛОС», 2001.
2. Л.В.Колесов «Основы автоматики», Москва «Колос», 1984.