Краткие теоретические сведения об усилителях.

В системах автоматики усилители увеличивают мощность входного сигнала, так как сигналы датчиков, как правило, имеют мощность недостаточную, чтобы привести в действие исполнительный механизм или не могут передаваться на расстояние от объекта управления. Поэтому, почти всегда в системе автоматики необходимо усиление сигнала.

Усилителем называется устройство для преобразования маломощного входного сигнала в более мощный выходной сигнал за счет энергии постороннего источника питания. В зависимости от вида энергии вспомогательного источника усилители делятся на электри­ческие, гидравлические, пневматические и комбинированные.

Основным видом усилителей систем автоматики являются электрические, которые в зависимости от физического принципа, положенного в основу процесса усиления, могут быть электронными, магнитными, электромеханическими и другими.

К электромеханическим усилителям относятся электромашинные усилители и электромагнитные реле. Электромашинные усилители (ЭМУ) сейчас применяются редко, так как появление мощных тиристоров , способных переключать токи до нескольких тысяч ампер, позволяет создавать более совершенные усилители с выходной мощностью до десятков киловатт. ЭМУ - это электрическая машина постоянного тока, которая имеет специальные обмотки управления и приводится в действие двигателем переменного тока. Недостатками такого усилителя является наличие трущихся контактов, большие габариты, невысокий КПД . Электромагнитные реле , несмотря на сравнительно невысокие надежность, долговечность и ограниченное быстродействие, в ряде случаев успешно конкурируют с транзисторными и тиристорными усилителями.

В Электромагнитных реле электрический сигнал преобразуется в перемещение якоря электромагнита, которое вызывает замыкание и размыкание контактов. Электромагнитные реле можно рассматривать как один из видов усилителей , так как мощность сигнала, необходимого для срабатывания реле, существенно меньше мощности , которой управляют контакты реле. Магнитные усилители (МУ) представляют собой устройство , состоящее из ферромагнитного сердечника и обмоток . Принцип действия МУ основан на нелинейном характере кривой намагничива­ния материала сердечника: В=F(Н).

В настоящей лабораторной работе рассматриваются электронные усилители в которых используются тиристоры и полупроводниковые операционные усилители.

Тиристоры - это полупроводниковые малогабаритные приборы. Они имеют четырехслойную р-п-р-п- структуру, моментом их включения можно управлять вспомогательным импульсом тока, который подается на управляющий электрод и открывает р-п-переход , прилегающий к катоду. После открывания тиристора все три его перехода смещаются в прямом направлении и он пропускает прямой ток. Ток нагрузки протекая через тиристор, создает такую большую концентрацию носителей заряда , что управляющие свойства тиристора теряются . При спадании тока нагрузки до нуля тиристор запирается и управляющие свойства восстанавливаются. Вольт-амперная характеристика тиристора (рис.1.1) при небольших прямых токах I_пр имеет несколько ветвей, соответствующих различным токам управления I_У. Чем больше ток управляющего электрода, тем меньше напряжение включения тиристора U_B. Если к аноду тиристора прикладывается переменное напряжение с амплитудой, меньшей U_{В max}, то включение тиристора будет происходить лишь в момент подачи импульса тока на управляющий электрод. Для включения требуется , чтобы амплитуда импульса была достаточной для снижения напряжения включения U_В до величины, меньшей, чем напряжение анод-катод тиристора U_a. Выключение тиристора возможно лишь при снижении тока анода I_пр до величины, меньшей тока отключения , который настолько мал по сравнению с прямым током тиристора, что его почти всегда считают равным нулю.

В схеме, содержащей источник питания Е, тиристор VS и резистор R (рис.1.2) возможны два устойчивых состояния, одно из которых соответствует открытому, а второе закрытому тиристору . Часть характеристики от нуля до точки А соответствует прямому току от­ключенного тиристора , а участок характеристики от точки А до точки Б соответствует прямому току открытого тиристора. Повышение напряжения источника от нуля до Е вызывает при I_У =0 перемещение рабочей точки по нижней ветви характеристики до точки А. Если теперь подать управляющий импульс тока с амплитудой I_У1 и с длительностью , достаточной для поддержания этого тока на время открывания тиристора , то рабочая точка перейдет скачком в положение Б, соответствующее открытому тиристору .

Спад открывающего импульса тока в цепи управления не оказывает влияния на процессы в открытом тиристоре, его рабочая точка остается в положении Б. Восстановление управляющих свойств тиристора произойдет лишь при его обесточивший на время , большее времени его закрывания .

В открытом состоянии тиристор способен пропускать очень большие токи (до нескольких сот ампер ). Тиристоры используются в усилителях мощности, управляемых выпрямителях, для коммутации больших токов.

Для усиления слаботочных сигналов используются операционные усилители. Операционные усилители (ОУ) используются в схемах усилителей сигналов датчиков технологического оборудования, а так же в схемах преобразования входных и выходных сигналов систем автоматики.

Операционным усилителем принято называть интегральный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, с помощью которого можно строить узлы аппаратуры с параметрами, зависящими только от свойств цепи отрицательной обратной связи.

Основным параметром, характеризующим любой усилитель, является коэффициент усиления. Эта величина определяется как отношение выходного сигнала к входному.

K=Y(t)/X(t) (1)

где Х(t) - входной сигнал. Y(t) - выходной сигнал0000.

В зависимости от вида цепи ОС различают инвертирующее и не-инвертирующее ОУ. Фаза выходного сигнала инвертирующего усилителя ( рис.2.1) сдвинута на 180 градусов относительно фазы входного сигнала . Коэффициент передачи К этой схемы в идеальном случае определяется по формуле:

K=R_oc/R1 (2)

Инвертирующее включение - основа большинства схем обработки сигналов. На базе этой схемы строятся дифференциальные усилители постоянного тока, мостовые усилители, аналоговые интеграторы, дифференциальные схемы, усилители переменного тока, стабилизаторы напряжения, а также схемы логарифмических усилителей, мультивибраторов. С помощью логарифмических усилителей, в свою очередь можно построить устройства умножения, деления, возведения в квадрат.

Неинвертирующее включение ОУ ( рис.2.2 ) применяется в тех случаях, когда необходимо согласовывать маломощный источник сигнала, обладающий большим внутренним сопротивлением с низкоомной нагрузкой. В этой схеме фаза выходного сигнала повторяет фазу входного. Коэффициент передачи идеального ОУ в неинвертирующем включении определяется по формуле:

K=1+ R_oc/R_в (3)

Неинвертирующее включение - базовая схема масштабных усилителей напряжения. Сравнительно низкое допустимое значение напряжения на входе и цепях питания, малые мощности сигналов на выходе сдерживают применение ОУ в электротехнической аппаратуре, цепях электропривода и управления электродвигателями, схемах дистанционного управления и т.д.

Кроме коэффициента усиления, усилители характеризуются чувствительностью, динамическими свойствами, величинами выходных и входных сопротивлений, коэффициентом полезного действия. Рис.1 Вольт амперная характеоистика теристора (1) и схема включения тиристора (2)

Рис. 2 Основные методы включения DУ инвертирующие (1) и неинвертирующей (2)

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

2.1. Исследование работы тиристорного усилителя в статических режимах Схема тиристорного усилителя представлена на рис.3 . Регулирование анодного тока ,а значит и мощности нагрузки, достигается путем изменения угла регулирования - а. В схеме реализован фазовый способ управления тиристором. Сущность способа состоит в том, что при изменении величины сопротивления резистора в цепи управления тиристора изменяется фаза вектора напряжения на емкости С1 . Этим достигается изменение момента времени открывания тиристора по отношению к моменту перехода через нуль переменного напряжения приложенного к тиристору. Это очевидно из следующих рассуждений. Для контура, образованного питающей сетью, резисторами R1, R2 и емкостью С1 справедливо уравнение:

U=U_C1+U_r (4)

Где- U_c1-вектор напряжения на емкости С₁: U_r=I_c*(R1+R2)-вектор напряжения на сопротивлении резисторов.

Ток, протекающий через конденсатор С₁

I_c=U/Z (5)

Где – Z=(R1+R2)+1/jw*С1- комплексное сопротивление последовательной цепи R1, R2. С1.

Фазовый угол на который ток I_c опережает напряжение сети определяется из выражения

Φ=-arctg1/2Πf*(R1+R2) C1 (6)

Напряжение на емкости U _с отстает от I_С на угол 90⁰ , а напряжение на Ur совпадает по фазе с током I_с. Векторная диаграмма изображена на Рис.4

Рис 3 Схема принципиальная элекрическая тиристорного усилителя мощности.

Рис.4 Векторная диаграмма токов и напряжений цепи R1 R2,C1

Из векторной диаграммы очевидно, что угол α , на который отстает вектор U_c от вектора U равен:

α=90⁰- φ (7)

Из выражения ( 6 ) следует , что изменяя величину R1 можно изменить величину угла φ, а значит и угол α.

При положительном полупериоде напряжения на емкости С1 , диод VD1 пропускает ток, который является током цепи управления I_У тиристора. Следовательно, изменяя угол регулирования α можно регулировать ток в нагрузке от 0 до максимально допустимого значения.

2.2. Порядок выполнения лабораторной работы

1. Собрать схему тиристорного усилителя, изображенную на рис.3,

2. Подать напряжение питания (включить тумблер SА2 , расположенный на
лабораторном стенде).

3. Потенциометром R1 плавно изменять ток управления I_У от 0 до 100 мА . Черезкаждые 10 мА увеличения I_У регистрировать ток I_н и напряжение U_н нагрузки .
4. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1 Результатыснятия статической характеристики тиристорного усилителя

5. По результатам измерений построить графики I_Н=f(I_У) и U_Н= f(I_У)

Обяснить полученные результаты.

2.3. Исследование схем операционных усилителей

1.Собрать схему инвертирующего включения ОУ согласно рис.5 .

2.Подать напряжение питания ( с помощью тумблера SА1,

расположенного на стенде).

3.Потенциометр R2 установить в 0 положение , а с помощью R12

установить-нуль по шкале вольтметра РУ2 .

4.Включить в цепь обратной связи сопротивление R6 = 1к0м , ручкой
потенциометра R2 плавно изменять входное напряжение ОУ от О до

10 В и записывать показания вольтметра RV2 на выходе ОУ через

каждые 1В увеличения напряжения на входе усилителя.

Регистрировать значения входного напряжения с помощью вольтметра

РV1 .

5.Проделать аналогичный опыт при сопротивлении в цепи обратной связи R7 =10кОм и R8 - 100 кОм . Увеличивать входное напряжение следует при этом через каждые 0.1В и 0.01В, соответственно.

6.Результаты измерений занести в таблицу 2 . Определить коэффициент усиления К при различных значениях Rос.

7.Выключить тумблер SА1.

8.Собрать схему неинвертирующего включения ОУ , согласно рис.6.

10.Построить графики U_вых =f(U_вх) для различных схем включения ОУ при различных R_ос

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

• цель лабораторной работы;

• краткое описание принципа работы тиристорного усилителя мощности

и усилителей , собранных на операционных усилителях ;I

• схемы включений усилителей для лабораторных испытаний;

• таблицы экспериментальных данных;

• графики статических характеристик усилителей;

• краткие выводы о проделанной работе.

Результаты снятия статичес ких характеристик операционных усилителей. Табл. 2