• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Підсилювачі. Напівпровідникові підсилювачі. Гідравлічні підсилювачі. Релейні підсилювачі

ЛЕКЦІЯ №5

ТЕМА: „ПІДСИЛЮВАЧІ ”

Підсилювачі

Потужність сигналів, які формують задаючі пристрої або елементи порівняння, часто недостатня для керування виконавчими механізмами. Для їх підсилення використовують підсилювачі, що здійснюють кількісне перетворення вхідного сигналу. В будь-якому підсилювачі вхідна і вихідна величини мають однакову фізичну природу і підсилення відбувається за рахунок того, що вхідний сигнал керує передачею енергії від джерела живлення до виходу підсилювача.

Основними показниками, що характеризують роботу підсилювачів, є коефіцієнт підсилення, межі зміни вхідного і вихідного сигналів, к. к.д. і спотворення. Коефіцієнтом підсилення називається відношення величини вихідного сигналу до вхідного. Спотворення підсилювача являє собою зміну форми вихідного сигналу в порівнянні з формою вхідного сигналу і може бути зумовлене нелінійністю статичної характеристики підсилювача і його інерційністю.

У системах автоматизації технологічних процесів у гідромеліорації найбільше широко застосовують напівпровідникові, релейні і гідравлічні підсилювачі.

Напівпровідникові підсилювачі

Дані підсилювачі відрізняються високим коефіцієнтом підсилення (10³...10⁶), великим терміном служби (більш 100000 год), малою інерційністю (стала часу 10^-3...10^-6 с), економічністю, невеликими розмірами і масою, високою чутливістю (пороги чутливості за струмом 10^-12...10^-13 А і за напругою 10^-5...10^-6 В) і іншими якостями. Потужність напівпровідникових підсилювачів складає від долей вата до десятків кіловат.

Рис. 5.1. Схеми включення транзисторів типу p-n-p: ЗЕ – із загальним емітером; ЗК – з загальним колектором; ЗБ – із загальною базою.

Як підсилюючі елементи використовують біполярні і польові транзистори. У підсилювачах на біполярних транзисторах застосовують транзистори p-n-p і n-p-n типів. На рис. 5.1 представлені три схеми включення транзистора типу p-n-p. Якщо в них поміняти знаки напруг і напрямки струмів на зворотні, то одержимо схеми включення транзистора типу n-p-n.

Напруги і струми транзистора зв'язані співвідношеннями

. /5.1/

Відношення називається статичним коефіцієнтом передачі струму від емітера до колектора. Воно складає 0,95... 0,99 і більш. Відношення називається статичним коефіцієнтом передачі струму від бази до колектора. У схемі з загальним емітером знаходиться в межах 20...100. Чим вище і тим якісніший транзистор з погляду його підсилюючих властивостей.

Напруга значно менша напруг і , тому що прикладається до відкритого р-n-переходу. Для германія вона складає 0,2...0,5 В, а для кремнію – 0,8...1,0 В. Напруги і прикладається до закритого р-n- переходу і тому можуть досягати десятків і сотень вольт.

З представлених на рис. 5.1 схем із загальним емітером (ЗЕ), загальним колектором (ЗК) і загальною базою (ЗБ) найчастіше використовується схема з ЗЕ, тому що вона забезпечує найбільше підсилення за потужністю. Коефіцієнти підсилення за струмом і напругою в ній більше одиниці. Для схеми з ЗБ коефіцієнти підсилення за струмом менше, а за напругою більше одиниці. Тому дану схему використовують для підсилення напруги. Схема з ЗК має коефіцієнт підсилення за напругою, близький до одиниці, а за струмом - значно більше одиниці. Цю схему називають емітерним повторювачем і вона застосовується для підсилення потужності.

Роботу напівпровідникового підсилювача на біполярних транзисторах розглянемо на прикладі одного каскаду підсилення (рис. 5.2, а)

Рис. 5.2. Схема вхідного каскаду напівпровідникового підсилювача на біполярному транзисторі (а) і його характеристики (б).

У вхідному колі транзистора включена напруга постійного зміщення і вхідний сигнал. При в колі бази протікає струм , що викликає часткове відкриття транзистора і протікання в колі колектора струму . Струми і називаються початковими і їх значення задається опором зміщення R_зм.

На рис. 5.2,б наведені залежності для декількох значень струму I_б, навантажувальна характеристика і часові діаграми, які пояснюють роботу каскаду підсилення. При подачі на вхід змінної напруги струм бази змінюється. У додатний напівперіод струм бази зменшується від до , струм колектора також зменшується, що призводить до росту напруги , де R_к - опір у колі колектора. В відємний напівперіод струм змінюється від до і U_ке знижується. У результаті напруга U_ке має сталу і змінну складові. Змінна складова U_вих, через ємність С2 поступає на вихід. Відношення амплітуди U_вих до амплітуди U_вх дорівнює коефіцієнтові підсилення за напругою. Фаза U_вих зміщується щодо фази U_вх на 180°.

Ємність С1 на вході підсилювача служить для того, щоб стала складова струму від джерела живлення Е_к не протікала через джерело вхідного сигналу.

Якщо початкову точку 0 змістити або збільшити амплітуду вхідного сигналу, то через нелінійність характеристик транзистора форма вихідної напруги спотворюється і порушується пропорційність між U_вх і U_вих.

Підсилюючі каскади на біполярних транзисторах керуються струмом і мають низький вхідний опір, що ускладнює узгодження їх роботи з високоомними джерелами вхідних сигналів. Високий вхідний опір мають польові транзистори, керовані електричним полем, яке створює вхідна напруга. Дія вхідного сигналу U_вх, прикладеного до затвора, полягає в зміні електричного опору струмопровідного каналу, а отже, і струму в колі стоку. При U_вх =0 опір струмопровідного каналу найменший.

Як і біполярні, польові транзистори можуть вмикатися трьома способами: за схемою з загальним витоком, з загальним стоком, і з загальним затвором. Найбільш часто застосовують схему з загальним витоком (рис. 5. 3).

Особливістю підсилюючого каскаду на базі польового транзистора є те, що початкове від’ємне зміщення на затворі щодо витоку створюється опором R_в. Ємність С_в, через яку протікає змінна складова струму витоку, стабілізує зміщення при U_вх =0. Опір R_з у колі затвора, приблизно рівний 1 МОм, забезпечує гальванічний зв'язок із джерелом живлення і стабілізує вхідний опір транзистора. Зі стокового резистора R_с через розділюючу ємність знімається вихідна напруга U_вих.

Рис. 5.3. Схема одного каскаду напівпровідникового підсилювача на польовому транзисторі.

З ростом на затворі від’ємного потенціалу збільшується опір струмопровідного каналу і струм витоку І_в зменшується. Тому при від’ємному напівперіоді U_вх струм І_в зменшується і U_вих збільшується. При додатному напівперіоді струм І_в зростає, а U_вих зменшується. При цьому напруга U_вих зміщується відносно U_вх на кут 180°.

Параметри польових і біполярних транзисторів залежать від температури. Щоб зменшити вплив температури на роботу напівпровідникових підсилювачів, використовують від’ємні зворотні зв'язки і вводять температурну компенсацію за допомогою терморезисторів.

Поєднання каскадів, виконаних на польових і біполярних транзисторах, дозволяє створювати підсилювачі з високим вхідним опором і високою вихідною потужністю, що розширює застосування напівпровідникових підсилювачів в різних пристроях автоматики і вимірювальної техніки.

У більшості випадків схема підсилювача складається з декількох каскадів (рис. 5.4). Перший каскад здійснює узгодження роботи підсилювача з джерелом вхідного сигналу. Найбільший ефект підсилення досягається при рівності внутрішнього опору джерела вхідного сигналу і вхідного опору першого каскаду. Проміжні каскади підсилюють U_вих до значення, необхідного для роботи вихідного каскаду, у якому відбувається підсилення потужності до заданого значення.

Рис. 5.4. Структурна схема підсилювача.

У підсилювачах постійного струму з’єднання каскадів здійснюється за допомогою резисторів, у підсилювачах змінного струму – за допомогою розділяючих елементів – конденсаторів або трансформаторів. При послідовному з'єднанні каскадів коефіцієнт підсилення підсилювача , де – коефіцієнти підсилення каскадів.

Гідравлічні підсилювачі

Для керування виконавчими органами зі зворотно-поступальним рухом застосовують гідропідсилювачі. Існує багато типів гідропідсилювачів, що відрізняються числом каскадів підсилення, кількістю дроселів, їх взаємним розташуванням, методом керування і конструктивним виконанням.

Рис. 5.5. Принципова схема гідравлічного підсилювача.

Найбільше широко в гідроприводі меліоративних машин, затворів і піднімачів використовують гідропідсилювачі з золотником і зворотно-поступальним рухом поршня (рис. 5.5). Вхідним сигналом у підсилювачі є переміщення золотника 1, а вихідним - переміщення поршня 2. При переміщенні золотника вправо рідина під тиском Р_н надходить по каналу а у гідроциліндр 3 і на поршні створюється сила тиску , де w — площа поршня. Рідина з лівої частини циліндра по каналу b; надходить на злив при тиску Р_с. Під дією сили F поршень переміщується вліво доти, поки існує вхідний сигнал. Після повернення золотника у вихідне положення канали а і b перекриваються і рух поршня припиняється. Зв'язок між вихідною і вхідною величинами визначається залежністю

, /5.2/

де k — коефіцієнт пропорційності.

При x_вx = const рішенням рівняння /5.2/ є лінійна функція

, /5.3/

де ν – швидкість переміщення поршня.

Залежність /5.3/ показує, що при сталому вхідному сигналі поршень переміщується зі сталою швидкістю, яка залежить від х_вх і коефіцієнта k.

Золотники підсилювача виконують відсічними або проточними. У гідропідсилювачі з відсічним золотником ширина бортика золотника більша висоти вікна в гільзі і тому підсилювач має зону нечутливості. Перекриття вікна дозволяє фіксувати положення поршня. У гідропідсилювачі з проточним золотником ширина бортика дорівнює висоті вікна в гільзі і це підвищує чутливість підсилювача. Однак через витікання рідини може відбутися самовільне переміщення поршня під дією навантаження. Цей недолік усувають введенням зворотного зв'язку за положенням поршня (рис. 5.5, штрихова лінія).

У підсилювачі зі зворотним зв'язком переміщення золотника щодо каналів а і b дорівнює різниці переміщень самого золотника і гільзи

, /5.4/

де l₁ і l₂ – довжини пліч важеля АВ, і залежність між вихідною і вхідною величинами матиме вид

. /5.5/

Після диференціювання вираз /5.5/ приводиться до виду

, /5.6/

де – коефіцієнт підсилення підсилювача; – стала часу підсилювача.

Отже, гідропідсилювач зі зворотним зв'язком є інерційним і переміщення поршня пропорційно переміщенню золотника.

Релейні підсилювачі

В позиційних системах керування для перетворення безперервних сигналів у дискретні застосовуються релейні підсилювачі. Для них характерним є те, що при досягненні вхідним сигналом заданого значення вихідний сигнал змінюється стрибком. Як релейні елементи переважно використовують електромагнітні реле, герметизовані контакти (геркони) і перемикаючі напівпровідникові схеми.

Електромагнітне реле з поворотним якорем (рис. 5.6, а) працює у такий спосіб. При протіканні в обмотці 1 струму керування І_к виникає магнітний потік, що замикається через осердя 2, магнітопровід 3, якір 4 і повітряний проміжок між якорем і осердям. Утворена магнітним потоком електромагнітна сила притягання зумовлює спрацювання реле і його розмикаючий контакт 6 розмикається, а замикаючий контакт 7 замикається. Відпускання реле відбувається під дією пружини 5.

Із статичної характеристики (рис. 5.6, б) випливає, що при І_к=І_спр відбувається замикання контактів 7 і вихідний сигнал стрибком досягає граничного значення. Подальше зростання струму І_к не викликає зміни вихідного сигналу. При зменшенні струму І_к розмикання відбувається при І_к=І_відпр<І_спр. Це зумовлене тим, що відпусканню якоря перешкоджає залишковий магнітний потік.

Основний недолік реле - швидкий знос контактів в умовах підвищеної вологості. Щоб підвищити час безвідмовної роботи, контакти герметизують.

Рис. 5.6. Конструктивна схема електромагнітного реле (а) і його характеристика (б).

Геркон являє собою скляну колбочку 1, у яку впаяні контактні пружини 2 з магнітного матеріалу (рис. 5.7). Пружини виконують роль магнітопровода. Замикання контактів відбувається під дією магнітного поля, створеного струмом у котушці 3, або постійним магнітом. Геркони випускаються з замикаючим, розмикаючим і пермикаючим контактами. Число спрацювань герконів досягає 1*10⁹, що на два порядки вище, ніж число спрацювань реле.

Крім контактних, усе більш широко застосовують безконтактні релейні підсилювачі, виконані на основі транзисторних, тиристорних і інших елементів.

Схема релейного підсилювача на основі транзистора p-n-p типу наведена на рис. 5.8, а. У вихідному стані транзистор закритий напругою U_зм і через опір навантаження R_н протікає невеликий струм . При подачі на вхід від’ємної напруги транзистор повністю відкривається, його опір зменшується майже до нуля і струм колектора зростає до значення, обумовленого опором R_н. Для зменшення часу відкриття опір R₁ шунтують ємністю С₁. При знятті вхідного сигналу транзистор закривається і струм колектора зменшується до значення І_к0.

Рис. 5.8. Схеми релейних підсилювачів: а - на основі транзистора типу p-n-p; б - на основі тиристора.

Коли необхідно керувати релейним підсилювачем за допомогою імпульсів, то як підсилюючі елементи використовують тиристори, що можуть знаходитися в двох стійких електричних станах: у відкритому (велика провідність) і у закритому (мала провідність). Схема тиристорного підсилювача складається з двох тиристорів (рис. 5.8, б). У вихідному стані обидва тиристори закриті і напруга на ємності С дорівнює нулю. При подачі на керуючий електрод імпульсу тривалістю від однієї до десятків мікросекунд відбувається відмикання тиристора VT1 і струм у зовнішньому колі практично миттєво зростає від струму витоку І_вит, що не перевищує декількох мікроампер, до значення, обумовленого опором навантаження R_н. Одночасно через резистор R_т заряджається конденсатор С до напруги, близької до Е_к. У цьому стані схема може знаходитися як завгодно довго.

Щоб закрити тиристор VT1, на тиристор VT2 подають керуючий імпульс і тиристор VT2 відкривається. При відкритому тиристорі VT2 конденсатор С розряджається на тиристор VT1, струм навантаження переривається і VT1 закривається. Після цього конденсатор С знову заряджається через опір R_н і схема підготовлюється для повторного включення.

Тому що заряд і розряд комутуючої ємності С через тиристор VT2 триває короткочасно, то його вибирають значно меншої потужності. Шунтуючий діод VД застосовують при індуктивному навантаженні.

Перемикаючі схеми на тиристорах характеризуються високою надійністю, великим терміном служби і високим к.к.д. Сучасні тиристори дозволяють комутувати струми до сотень кілоампер при напрузі до декількох тисяч вольт.

Для комутації напруги в колах змінного струму застосовують двопровідні тиристори (семістори).

Читайте також:

1. Аналого – дискретні підсилювачі
2. Виконавчі пристрої. Регулюючі органи. Виконавчі механізми. Гідравлічні виконавчі механізми.
3. Гідравлічні в’яжучі речовини.
4. Гідравлічні ємкості
5. Гідравлічні засоби автоматизації водорозподілу
6. Гідравлічні і пневматичні двигуни
7. Гідравлічні класифікатори
8. ГІДРАВЛІЧНІ МАШИНИ
9. Гідравлічні машини
10. Гідравлічні системи автоматизації
11. Гідравлічні тарани.
12. Густина повного струму дрейфу у власному напівпровідникові

Переглядів: 4964