Усилители

В системах автоматики усилители увеличивают мощность сигналов. Для работы усилителей необходим вспомогательный источник энергии. В зависимости от вида энергии вспомогательного источника усилители делят 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, ионными, магнитными, электромеханическими, диэлектрическими и др. В электронных усилителях в качестве усилительных приборов используют транзисторы, тиристоры, в ионных усилителях — тиратроны.

Основным элементом магнитного усилителя является ферромагнитный сердечник, кривая намагничивания которого имеет нелинейный характер. К электромеханическим усилителям относятся электромагнитные усилители и электромагнитные реле. Широко применяют в системах автоматики комбинированные усилители, которые могут состоять из усилителей двух, трех и более типов. Комбинированные усилители проектируют с таким расчетом, чтобы сочетать достоинства, присущие каждому типу усилителей. Наибольшее распространение получили транзисторно-магнитные, транзисторно-тиристорные, транзисторно-электромагнитные комбинированные усилители.

Электронные усилители в зависимости от рода сигнала и режима работы усилительных элементов могут быть пропорциональными, импульсными, фазочувствительными. По назначению эти усилители подразделяют на усилители напряжения, мощности и тока, а также решающие усилители. Электронные усилители имеют малые выходные мощности и в машиностроении их чаще используют как промежуточные усилители. На больших выходных мощностях применяют тиристорные усилители, которые одновременно служат и преобразователями рода тока, так как они имеют более высокий КПД.

Решающие усилители строятся на операционных усилителях. Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель электрических сигналов для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью (ООО). ОУ имеет высокий коэффициент усиления, широкую полосу пропускания частот (от нуля до нескольких мегагерц), большое входное и малое выходное сопротивления. Различают две основные схемы включения ОУ: инвертирующую (со сдвигом фазы выходного сигнала на 180°) и неинвертирующую (рис. 22, а). На базе инвертирующего ОУ строят дифференциальные усилители постоянного тока, мостовые усилители, аналоговые интеграторы и др. Коэффициент передачи неинвертирующего усилителя:

Неинвертирующее включение ОУ применяется в тех случаях, когда необходимо согласовать маломощный источник сигнала, обладающий большим сопротивлением с низкоомной нагрузкой.

Магнитные усилители (МУ) — магнитное статическое устройство, усиливающее электрические сигналы. Простейший МУ (рис. 22, б) состоит из двух рабочих обмоток W_Р, включенных встречно. В цепь рабочих обмоток включают нагрузку R_H. Рабочие обмотки питаются от сети переменного тока U_П. Управляющие W_У — постоянным током. Достоинства МУ: большой коэффициент усиления по мощности, высокая надежность, способность суммирования, дифференцирования и сравнения сигналов при наличии нескольких обмоток управления, а также то, что они допускают значительные перегрузки. Наиболее существенный недостаток — значительная инерционность.

Электромашинные усилители имеют большую мощность выходного сигнала. В настоящее время применяются редко. Они не отвечают современным требованиям по надежности, имеют низкий КПД.

Гидравлические усилители (ГУ) нашли широкое применение там, где применяют гидросистемы. В зависимости от принципа действия различают ГУ серийные, золотникового типа, дроссельные. ГУ золотникового типа (рис. 22, е) представляет собой устройство, состоящее из управляющего золотника (УЗ) и гидроцилиндра (ГЦ). Входным сигналом усилителя является сила ƒ, действующая на шток управляющего золотника, а выходным сигналом — сила F, действующая на шток гидроцилиндра. Широкое применение получили гидроусилители момента, в которых золотник кранового типа совмещен с гидродвигателем аксиально-плунжерного типа и управляет им.

Дифференциальный струйный усилитель (рис. 22, г) состоит из струйной трубки 3, в которую подается масло под давлением р₀, распределительного сопла 2 и гидроцилиндра 1.

Пневматические усилители могут быть золотникового типа, где золотник управляет пневмоцилиндром или диафрагменным пневмодвигателем. Дроссельные пневмоусилители применяют там, где пневмоцилиндром управляет дроссель.