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 kP;
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
Тип усилителя | Входное сопро-тивление, Ом | Постоянная времени, с. | Тип усилителя | Входное сопро-тивление, Ом | Постоянная времени, с. |
Электронный (в т.ч. операционный) | 102 – 1015 | 10-6 – 10-10 | Электро-машинный | 102 – 104 | 1 – 10-2 |
Релейный | 102 – 104 | 10-1 – 10-3 | Гидравлический | - | 10-2 – 10-3 |
Магнитный | 10 – 103 | 1 – 10-2 | Пневматический | - | 1 – 10-1 |