Усилители автоматических систем

Усилителем называется устройство, в котором мощность выходного сигнала превышает мощность входного. Эффект усиления по мощности достигается в усилителях за счет использования энергии некоторого вспомогательного источника (рис. 3.1), т. е. входной сигнал усилителя Р _вх лишь управляет передачей энергии от источника на выход усилителя. Поэтому усилители являются активными элементами автоматических систем. Усилительные устройства широко используются в современных автоматических системах. Чаще всего они применяются для усиления сигнала чувствительного элемента до величины, достаточной для приведения в действие исполнительного элемента системы.

Рис. 3.1. Структурная схема включения усилителя

В зависимости от физической природы вспомогательного источника энергии и усиливаемого сигнала различают механические, гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные (электрогидравлические, электропневматические) усилители.

В электрических усилителях входная и выходная величины имеют электрическую природу. В зависимости от характера входной величины электрические усилители делятся на усилители переменных и постоянных токов и напряжений [12]. В зависимости от структуры электрические усилители делятся на однокаскадные и многокаскадные, а также на усилители с обратными связями и усилители без обратных связей.

Электрические усилители сигналов, в свою очередь, можно разделить на две большие группы: усилители, не содержащие подвижных частей (например, электронные, магнитные), и усилители с подвижными частями (например, релейные).

Использование обратных связей дает возможность изменять характеристики усилителей автоматических систем. Например, положительная обратная связь позволяет увеличить коэффициент усиления усилителя, а отрицательная обратная связь – уменьшить инерционность усилителя и увеличить стабильность его статической характеристики. Основными характеристиками усилителей являются следующие:

выходная мощность усилителя Р _вых;

мощность, потребляемая от источника энергии Р _пит;

коэффициент полезного действия усилителя h;

коэффициент усиления по мощности k_P;

входное R _вх и выходное R _вых сопротивления усилителя;

собственные шумы усилителя (сигнал на выходе усилителя при равном нулю входном сигнале);

пороговая чувствительность усилителя (минимальное значение входного сигнала, при котором выходной сигнал надежно отличается на фоне собственных шумов усилителя);

статическая характеристика усилителя;

инерционность усилителя.

Выходная мощность, потребляемая мощность и коэффициент полезного действия характеризуют энергетические свойства усилителя. Очевидно, выходная мощность усилителя должна быть достаточна для приведения в действие последующего элемента автоматической системы (например, двигателя).

Коэффициент усиления представляет собой одну из основных характеристик усилителя. Для электрических усилителей принято различать коэффициент усиления усилителя по напряжению

, (3.1)

току

(3.2)

и коэффициент усиления усилителя по мощности

, (3.3)

где P _вх – входная, Р _вых – выходная мощности усилителя в номинальном режиме работы.

Коэффициенты усиления по напряжению или току могут быть как больше, так и меньше единицы, но коэффициент усиления по мощности для любого усилителя больше единицы.

Входное и выходное сопротивления характеризуют усилители только электрических сигналов. Их следует учитывать при решении вопроса о согласовании усилителя с предыдущим и последующим элементами автоматической системы. Правильное согласование по входу и выходу имеет большое значение для высококачественной работы, как самого усилителя, так и всей автоматической системы в целом. Например, усилители с низкоомным входом (полупроводниковые, магнитные, релейные) нельзя использовать для усиления сигналов чувствительных элементов с большим выходным сопротивлением (таких, как фотоэлементы, емкостные датчики и пр.).

В случае, когда статическая характеристика усилителя имеет относительно «плавные» очертания, усилитель называют усилителем пропорционального действия. Иногда в автоматических системах используют усилители, выходная величина которых изменяется скачком при некоторых значениях входной величины. Статическая характеристика таких усилителей имеет разрывы первого рода. Усилители с разрывными статическими характеристиками называются усилителями релейного действия.

Оценка инерционности усилительных устройств производится по их динамическим характеристикам (временным или частотным). Многие устаревшие виды усилителей (магнитные, электромашинные и др.) обладают заметной инерционностью и приближенно могут считаться апериодическими звеньями первого порядка. Динамические свойства таких усилителей характеризуются постоянной времени и коэффициентом передачи. Если постоянная времени усилителя на порядок и более раз меньше наименьшей из постоянных времени других звеньев автоматической системы, то такой усилитель считают безынерционным звеном.

В табл. 3.1 приведена сравнительная оценка основных характеристик усилителей.

Таблица 3.1

Характеристика усилителей