Материал: Основы автоматизации производства
Отмеченный недостаток устраняется, если применить схему (рис. 13, б) с двумя магнитно не связанными между собой дросселями, обмотки которых соединены так, как показано на рисунке. Если входная обмотка 3 намагничивает оба магнитопровода в одном направлении, то выходная обмотка – в разных. Благодаря этому взаимно компенсируются ЭДС, наведенные во входных обмотках.
Трехстержневая схема магнитопровода приведена на рис. 13, в. В этом случае во входной обмотке также не будет наводиться ЭДС трансформации, так как соответствующие составляющие переменного потока взаимно уничтожаются и будут отсутствовать в среднем стержне. Рассмотренная схема находит применение благодаря удобству изготовления и возможности размещения большого числа витков.
С повышением частоты источника питания размеры магнитных усилителей уменьшаются, но одновременно растут потери в ферромагнетике и увеличивается магнитный поверхностный эффект.
В целом магнитные усилители являются надежными элементами автоматики, к достоинствам которых следует отнести высокую прочность при практически неограниченном сроке службы, а также в отличие от электронных ламповых усилителей мгновенную готовность к действию. Удобно и суммирование сигналов в магнитном усилителе, для этого достаточно иметь соответствующее число входных обмоток. Магнитные усилители нечувствительны к радиоактивным излучениям. Недостатки магнитных усилителей – сравнительно большая масса и значительная инерционность, обусловленная заметным количеством энергии, запасаемой в магнитном поле дросселя.
3. Электронные усилители
К электронным ламповым и полупроводниковым усилителям относятся устройства систем автоматики, в которых используются многоэлектродные лампы или полупроводниковые приборы, значение активного сопротивления которых зависит от интенсивности или полярности электрического поля.
Рис. 14. Схемы электронных усилителей:
а – электровакуумных постоянного тока; б – переменного тока; в – полупроводниковых с общей базой; г – с общим коллектором; д – с общим эмиттером
Элемент усилителя, состоящий из электронной лампы или полупроводника с резисторами и конденсаторами, называют усилительным каскадом. Если для усиления входного сигнала одного каскада недостаточно, то применяют последовательное соединение нескольких каскадов. В этом случае первые каскады выполняют роль предварительного усиления, обеспечивая работу мощного выходного каскада. Различают однокаскадные и многокаскадные усилители.
Схема простейшего однокаскадного усилителя на электронной лампе показана на рис. 14, а. Входной сигнал Uвх подается на сетку электронной лампы V, в анодную цепь которой включен резистор (нагрузка) Rа = Rн. При изменении значения Uвх будет меняться значение анодного тока Iа, а следовательно, и значение выходного напряжения Uвых, равного падению напряжения на нагрузочном (анодном), резисторе Rн от протекания анодного тока. В этом и заключается усилительный эффект. Резистор R1 служит для ограничения сеточных токов. Резистор R2 введен для стабилизации выходного сопротивления усилителя. Рассмотренная схема является нереверсивной.
Схема простейшего усилителя переменного тока с трансформаторным выходом (рис. 14, б) отличается от схемы усилителя постоянного тока только тем, что нагрузочный резистор Rн не является одновременно анодным резистором Ra а включен в анодную цепь через трансформатор, благодаря чему выходное напряжение Uвых содержит лишь переменную составляющую.
Применяемые в системах автоматики усилители на вакуумных лампах, в большинстве случаев миниатюрного (пальчикового) типа, выгодно отличаются от прочих видов усилителей ничтожно малой входной мощностью и незначительной инерционностью. Недостатком электронных ламповых усилителей являются низкий КПД и небольшая выходная мощность, а также ограниченные надежность и срок службы. Они широко используются в системах автоматики для предварительного усиления сигналов, полученных от преобразователей. Предельная выходная мощность не превышает 100 Вт.
Для построения полупроводниковых усилителей в качестве управляющих устройств используют полупроводниковые триоды (транзисторы), изготовляемые из германия или кремния с соответствующими примесями.
Транзисторы могут включаться в усилительные схемы тремя различными способами: с обшей базой, с общим коллектором и общим эмиттером.
Схема полупроводникового усилителя с общей базой (рис. 14, в) соответствует редко применяемой в автоматике схеме электронного усилителя с общей сеткой. В этих усилителях электрод базы является общим для входной и выходной цепей. Выходное напряжение находится в фазе с входным. Коэффициент усиления по току меньше единицы, а по напряжению много больше единицы. Усилители, построенные по такому принципу, используют в качестве входного каскада по отношению к преобразователю с низким выходным сопротивлением.
В полупроводниковом усилителе с общим коллектором (рис. 14, г) коэффициент усиления по току на много больше единицы, а по напряжению – меньше единицы. Резисторы R1 и R2 составляют делитель напряжения, с которого снимается напряжение смещения. Усилители, построенные по такой схеме, применяют в качестве первого каскада усиления для согласования включения преобразователя с высокоомным выходом или в качестве выходного каскада при работе с низкоомной нагрузкой.
Схема с общим эмиттером (рис. 14, д) соответствует наиболее распространенной схеме электронного усилителя с общим катодом. В схеме резистор Rн является нагрузочным в цепи коллектора, а резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения, с которого снимается напряжение смещения. Схема с общим эмиттером получила наибольшее практическое применение. Она обеспечивает высокий коэффициент усиления по мощности и току и имеет сравнительно большое входное сопротивление.
В настоящее время транзисторные усилители вытесняют ламповые усилители из многих сфер применения. Это объясняется тем, что срок службы транзисторов составляет несколько десятков тысяч часов, а аварийные выходы транзисторов при соответствующем температурном режиме весьма редки.
Рис. 15. Схемы пневматических усилителей дроссельного типа:
а – с дросселем; б – с соплом-заслонкой
Гидравлические и пневматические усилители применяются в системах автоматики для усиления сигналов по мощности. Принципиально схемы таких усилителей не имеют различия. Если в пневматических усилителях используется сжатый воздух, то в гидравлическом усилителе – жидкость под давлением (чаще масло).
Различают три типа гидравлических усилителей: золотниковые, дроссельного типа и струйные.
В золотниковых гидравлических усилителях входной сигнал, открывая или закрывая золотник или вентиль, изменяет поступление вспомогательной энергии (масла под давлением) в исполнительный механизм.
В усилителях дроссельного типа (рис. 15, а, б) выходное давление Р2 рабочей жидкости зависит от перемещения X дросселя 1 или заслонки 2 при постоянном давлении Р1.
Принцип работы струйного усилителя (рис. 16) заключается в том, что кинетическая энергия струи масла, направленная в приемное сопло, преобразуется в потенциальную энергию давления. Давление в сопле зависит от положения трубки. В корпусе 1 усилителя расположена струйная трубка 2 с сопловой насадкой 6. С одной стороны трубка связана с толкателем преобразователя 7, а с другой – с пружиной задатчика 4. Сжатие пружины регулируется винтом 3. Струйная трубка сообщается каналом 9 с масляным насосом и может поворачиваться на некоторый угол вокруг оси 0. Расширяющиеся сопла 5 соединены трубопроводами с обеими полостями цилиндра двойного действия исполнительного механизма. Трубка 8 предназначена для слива масла в бак, где установлен насос.
Рис. 16. Схема гидравлического струйного усилителя
Если регулируемый параметр соответствует заданному значению, то трубка находится в нейтральном положении и струя рабочей жидкости одинаково перекрывает оба приемных сопла. В полостях цилиндра создается одинаковое давление и поршень исполнительного механизма не перемещается. При отклонении регулируемого параметра от заданного значения, т. е. при появлении разности усилий со стороны задатчика и чувствительного элемента, струйная трубка поворачивается в сторону одного из приемных сопел, в котором давление возрастает, что и вызывает перемещение поршня.
К преимуществам усилителей подобного типа можно отнести простоту конструкции, отсутствие повышенных требований к очистке масла и высокую эксплуатационную надежность. Основным недостатком усилителя являются неполное использование мощности потока рабочей жидкости и неизбежная ее утечка.
Пневматические усилители по принципу аналогичны гидравлическим и имеют такие же преимущества и недостатки.
Гидравлические и пневматические усилители находят применение в автоматических системах регуляторов давления и расхода.
5. Стабилизаторы
Стабилизатор – элемент автоматики, который обеспечивает поддержание какого-либо параметра энергетической цепи на постоянном уровне. В гидравлических и пневматических цепях наиболее часто приходится поддерживать давление. В электрических цепях стабилизируют напряжение, ток или частоту, причем на практике чаще всего стабилизируют напряжение.
Электрические стабилизаторы применяют в системах автоматического регулирования в двух случаях: когда колебание напряжения питания оказывает нежелательное воздействие на изменение параметров элементов автоматики и когда значение регулируемого параметра задается в виде некоторого напряжения.
Качество стабилизации напряжения характеризуется коэффициентом стабилизации, показывающим отношение относительного изменения воздействующего фактора к относительному изменению выходного напряжения.
Различают два метода осуществления стабилизации: параметрический и компенсационный.
Параметрический метод основан на применении различных элементов с нелинейными статическими характеристиками, к числу которых относятся активные нелинейные сопротивления (к таким элементам относятся бареттеры, термисторы, стабиловольты, стабилитроны) и реактивные нелинейные сопротивления (дроссели с насыщенными ферромагнитными магнитопроводами и конденсаторы с нелинейными диэлектриками).
Компенсационный метод основан на применении замкнутых систем регулирования.
Параметрические стабилизаторы с активными нелинейными сопротивлениями могут применяться как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.
Рис. 17. Схемы стабилизаторов напряжения:
а – на бареттере; б – на стабилитроне; в – феррорезонансного; г – транзисторного
Нелинейные сопротивления по характеру нелинейности разделяют на два типа: сопротивления, у которых вольт-амперная характеристика имеет участок, где сила тока I приблизительно постоянна для некоторых пределов изменения подводимого напряжения, и сопротивления, с вольт-амперной характеристикой, имеющей участок с постоянным падением напряжения для некоторых пределов изменения тока.
Рис. 18. Стабилизатор давления
К устройствам, имеющим сопротивления первого типа, относятся обычно лампы накаливания и бареттеры. Последние представляют собой стеклянный заполненный водородом баллон, внутри которого разметена проволока из чистого железа. Если бареттер R включить последовательно с нагрузкой Rн (рис. 17, о), то в определенных пределах входного напряжения ток в цепи будет изменяться очень мало. Баретгер является стабилизатором тока.
К устройствам, имеющим нелинейные сопротивления второго типа, относятся полупроводниковые термисторы, позисторы и стабилитроны.
Термисторы – полупроводниковые терморезисторы с большим отрицательным температурным коэффициентом.
Позисторы обладают большим положительным температурным коэффициентом.
Стабилитрон (полупроводниковый диод – стабилизатор) – это германиевый или кремниевый диод.
Схема включения стабилитрона V показала на рис. 17, б. Стабилизация выходного напряжения Uвых обеспечивается при изменении входного напряжения Uвх и при изменении сопротивления нагрузки Rн. Уровень стабилизации не превышает 0,1%.
Параметрические стабилизаторы с нелинейными реактивными сопротивлениями могут применяться в непях переменного тока. Они обеспечивают более высокий КПД по сравнению со стабилизаторами на активных сопротивлениях. В рараметрических стабилизаторах чаще всего применяют дроссели в комбинации с линейными конденсаторами. Они носят название феррорезонансных. Варианты этих стабилизаторов весьма разнообразны.
Одна из простейших схем приведена на рис. 17, в.
Дроссель L1 имеет постоянную индуктивность и работает в ненасыщенном режиме. Дроссель L2 работает в нелинейном режиме, поэтому повышение напряжения на нем приводит к резкому росту тока и, как следствие этого, к увеличению падения напряжения на дросселе L1. Конденсатор С включается в схему для того, чтобы за счет феррорезонанса достичь насыщения при относительно малых токах.
Компенсационные стабилизаторы могут быть выполнены на лампах и полупроводниках. Однако в последнее время в основном находят применение полупроводники.
Схема простейшего транзисторного стабилизатора (рис. 17, г) включает усилительный элемент (транзистор V1) и измерительный элемент (диод V2). Через резистор R1 осуществляется отрицательная обратная связь. При изменении входного напряжения Uвх транзистор V1 препятствует отклонению напряжения Uвых. При увеличении Uвх возрастает ток через диод V2, что приводит к росту напряжения на резисторе и к частичному закрытию транзистора V1, т. е. увеличению падения напряжения. Значение выходного напряжения практически равно обратному напряжению на стабилизаторе V2.
Гидравлические и пневматические стабилизаторы применяют для уменьшения отклонений параметров питаемых через них элементов, т. е. для стабилизации давления. Одна из простейших схем стабилизатора давления показана на рис. 18. Жидкость (или сжатый воздух) из магистрали поступает во входную полость 1. Оттуда через зазор между корпусом 2 и золотником 3 попадает во входную полость 4, из которой осуществляется непосредственная подача к гидравлическому или пневматическому усилителю (исполнительному механизму). Если выходное давление Рвых уменьшается, то пружина 5 переместит поршень 7 вниз и увеличит зазор клапана; при повышении давления Рвых зазор будет уменьшаться. С помощью винта 6 можно изменить сжатие пружины 5 и тем самым задавать значение давления Рьых.
Кроме стабилизаторов давления, в гидравлических и пневматических системах могут применяться стабилизаторы расхода. Однако, как и стабилизаторы электрического тока, их используют значительно реже.
Контрольные вопросы и задания
1. Какой элемент автоматики называется усилителем и каково его назначение?
2. Перечислите основные характеристики усилителей.
3. Перечислите основные типы усилителей.
4. Назовите преимущества и недостатки электромеханических усилителей.
5. Объясните принцип действия магнитного усилителя.
6. Каково влияние частоты переменного тока и обратных связей на работу магнитных усилителей?
7. Кяк устроен и работает электронный ламповый усилитель?
8. Расскажите о работе полупроводниковых усилителей.
9. Расскажите о работе пневматических и гидравлических усилителей.
10. Какое назначение имеют стабилизаторы?
11. В чем основные отличия параметрических и компенсационных стабилизаторов?
12. Как устроен и работает феррорезонансный стабилизатор напряжения?
13. Расскажите о работе гидравлических и пневматических стабилизаторов давления.