foto1
foto1
foto1
foto1
foto1

Знання - це скарб, а навчання - ключ до нього.

Навчання - світло, а не навчання тьма.

Знання за гроші не купиш.

Знання - це сила, а незнання - робоча сила?

Хорошого спеціаліста робота сама шукає.

Електротехніка

Тема: Підсилювальні елементи систем автоматики.

 1. Загальні відомості. Класифікація і параметри підсилювачів.

2. Напівпровідникові і магнітні підсилювачі.

3. Підсилювачі електричних сигналів.

4. Однокаскадні підсилювачі.

1. Загальні відомості. Класифікація і параметри підсилювачів.

Вихідні сигнали датчиків, елементів порівняння, як правило, слабкі і не можуть безпосередньо використовуватися для приведення в дію різних механізмів автоматики. Тому в сучасних системах автома­тики широко застосовують підсилювачі, що підсилюють потужність сигналу та можливого його перетворення у вид, зручніший для роботи системи.

p2

 

Рис. Структурна схема підсилювача низької частоти.

p1

Рис. Класифікація підсилювачів автоматики.

Підсилювачем називають пристрій, призначений для збільшен­ня потужності сигналу за рахунок енергії джерела живлення, при цьому вихідна підсилена величина є функцією вхідного сигналу і має з ним однакову фізичну природу. За видом використаної енергії підсилювачі діляться на електричні, гідравлічні, пневматичні, механічні тощо.

2. Напівпровідникові і магнітні підсилювачі.

Напівпровідни­кові транзисторні підсилювачі мають невеликі габарити, масу, економічні, значний строк роботи, високий к.к.д., але їх параметри змінюються під час зміни температури, що є їх недоліком.

Тиристорні підсилювачі застосовують при значно більших струмах та напругах. Вони також мають невеликі габарити, масу, високий ККД, надійні, але чутливі до перевантажень по струму.

Магнітні підсилювачі не мають рухомих частин, нечутливі до вібрацій, якості електроенергії, їх потужність сягає десятків кіловат. До недоліків належать великі габарити, інерційність, вартість.

Діелектричні підсилювачі застосовують як підсилювачі потужності (на базі варикапів), але їх параметри залежать від вологості, температури.

Гідравлічні і пневматичні підсилювачі служать для підсилення вхідних величин за потужністю, тиском або використовуються як виконавчі елементи (серводвигуни). їх схеми аналогічні і розрізня­ються за видом робочого тіла (рідина чи повітря) та конструктивно (обробкою поверхні, герметизацією). Дані підсилювачі надійні, мають велику потужність, невелику інертність.

Механічні підсилювачі ділять на муфти, редуктори, гальма, які являють собою механічні трансформатори для перетворення зусиль, частоти обертання та крутного моменту.

Підсилювальний елемент разом з пасивними елементами (резисторами, конденсаторами, котушками індуктивності) називають підсилювальним каскадом. За формою характеристик, як залежність між вихідною і вхідною величинами, розрізняють підсилювачі з лінійними і нелінійними характеристиками.

Електронні підсилювачі широко застосовують у системах автоматики для попереднього підсилення слабких сигналів, що виробляють датчики до потужності, що не перевищує 100 Вт. Вони можуть бути напівпровідникові, постійного, змінного струму, одно- і багатокаскадні.

Напівпровідникові підсилювачі характеризуються невеликою потужністю споживання, є стійкими та надійними, економічні. За способом вмикання напівпровідникових підсилювачів розрізняють три схеми вмикання.

3. Підсилювачі електричних сигналів.

Пристрої, призначені для підсилення електричних сигналів мають назву  підсилювачі.

Процес підсилення є один з випадків процесу керування енергією і, в принципі полягає в тому, що надійшовший на вхід підсилювача від керуючого джерела електричної енергії слабкий сигнал керує більш сильним сигналом на його виході.

Вхідний сигнал не є джерелом енергії вихідного сигналу. Енергія вихідного сигналу утворюється за рахунок витрачання енергії електричних джерел живлення, але в той же час без сигналу на вході не утворюється і сигнал на виході.

Отже вхідний сигнал керує вихідним сигналом, джерелом енергії якого є певний пристрій живлення.

Узагальнена структурна схема підсилюючого пристрою:

p3

Вхідний пристрій (вхідне коло) призначений для подачі підсилюємого сигналу на підсилюючий елемент, який забезпечує керування з боку вхідного сигналу вихідним, створюючи тим самим підсилення.

Підсилений сигнал передається споживачу – навантаженню підсилювача. Коло, в яке включений споживач, називається вихідним колом (вихідним пристроєм).

Пристрій живлення забезпечує роботу підсилюючого елементу і є джерелом енергії вихідного сигналу.

Підсилюючий елемент необхідний для забезпечення процесу підсилення.

Такі підсилюючі властивості має і транзистор. Як було показано вище, значення колекторного струму залежить від в основному від струму емітера і може змінюватись в широких межах при зміні напруги між емітером і базою.

В узагальненому викладі фізична суть роботи підсилюючого елемента можна розглядати як властивість його змінювати в широких межах його опір під дією вхідного сигналу. В результаті цього на опорі навантаження, який включений послідовно з підсилюючим елементом (ПЕ), здійснюється пульсація напруги і виділяється підсилений по потужності сигнал Uвих, утворений джерелом ЕРС Е завдяки протіканню струму в навантаженні.

Для більшого підсилення сигнал з виходу першого ПЕ подається на такий же елемент, тобто підсилювач може мати кілька підсилюючих елементів, що послідовно підсилюють сигнал. Частина схема, що складається з одного ПЕ із вхідними і вихідними колами, називається підсилюючим каскадом.

В багатокаскадних підсилювачах розрізняють попередній і кінцевий каскади.

Попередній – підсилює вхідний сигнал до рівня, що забезпечує нормальну роботу наступних каскадів.

Кінцевий – забезпечує підсилення потужності сигналу до рівня, необхідного для нормальної роботи вихідного пристрою (гучномовця в акустичних системах, електродвигуна в системах автоматики і т. ін.).

Характеристики підсилювачів.

Показники підсилювача – це параметри і характеристики, за якими оцінюють якість його як елемента системи автоматики. Розглянемо основні з них.

Коефіцієнт підсилення– розрізняють за струмом, напругою, потужністю. Для усталеного режиму відповідно рівні: КU = Uвих / Uвх;                         КІ = Івих / Івх;                     КР = Рвих / Рвх;

Якщо підсилювач складається з кількох (n) каскадів, то К = К1×К2 ×…×Кn.

Вихідна потужність підсилювача– це корисна потужність, при якій спотворення не перевищують допустимих величин.

 Вхідний і вихідний опір (Rвх і Rвих).

Вихідний опір визначають між вихідними зажимами підсилю­вача при вимкненому опорі навантаження Rн.

Номінальна вхідна напруга (чутливість) – це напруга на вході підсилювача, при якій на виході забезпечується задана потужність. Чим менша величина Uвх, що визначає задану потужність, тим чутливіший підсилювач.

Діапазон підсилювальних частот (полоса пропускання підсилювача) – сфера частот, коли коефіцієнт підсилення змінюється не більше, ніж допускається за умовами роботи.

Динамічний діапазон виражений в децибелах – відношення максимальної амплітуди, при якій сигнал ще не викривляється, до мінімальної амплітуди, при якій сигнал ще достатньо перевищує перешкоди.

Спотворення в підсилювачах – нелінійні, частотні, фазові. При цьому відповідно змінюється форма підсилювальних коливань, величина коефіцієнта підсилення при зміні частоти та з’являється зсув фаз між Uвх і Uвих. Спотворення в підсилювачах – явища негативні і їх вплив, якщо можна, зменшують.

Фазові спотворення зумовлені присутністю частотно-залежних елементів. Сигнали різної частоти мають неоднакові зсуви в часі, що призводить до викривлення форми складного вхідного сигналу в результуючому сигналі (для звукових підсилювачів ці викривлення несуттєві, а для відео-, телесигналу ці викривлення призводять до подвоєння та розмивання контуру).

Нелінійні спотворення – виникають за рахунок нелінійних елементів (транзисторів, дроселів, трансформаторів та ін.). Для звукового сигналу ці викривлення призводять до зміни тембру звуку.

Чутливість підсилювача – напруга на вході підсилювача, при якій на виході розвивається номінальна потужність.

Зворотний зв'язок. В багатьох підсилювачах застосовується зворотний зв’язок.

Зворотний зв’язок має місце тоді, коли частина сигналу, що утворюється на виході підсилювача, передається на його вхід. Якщо при цьому сигнал, що передається на вхід з виходу співпадає по фазі з вхідним сигналом, то зворотний зв’язок називається позитивним (додатним), інакше – негативним (від’ємним).

Види зворотного зв’язку:

 p4

 

Рис. а) зворотний зв’язок за струмом; б) зворотний зв’язок за напругою; в) змішаний зворотний зв’язок.

Для більш стійкої роботи чи зміни режиму підсилювача викорис­товують зворотний зв'язок, тобто частину вихідного сигналу (або весь сигнал) подають знову на вхід. Такий зв'язок утворю­ють спеціально шляхом уведення в схему підсилювача ланки зворот­ного зв'язку. В цьому випадку на вхід підсилювача подається напруга. Знак напруги изв.з визначається схемною реалізацією ланки зво­ротного зв'язку. Якщо Uзв.з брати зі знаком «+», то вона підсилює вхідну напругу, а такий зв'язок називають додатним, якщо ж Uзв.з брати зі знаком «—», то вона зменшує вхідну напругу, а сам зв'язок називають від'ємним. Крім цього, зворотні зв'язки поділяють на зв'язки за напругою і за струмом. Наявність зворотного зв'язку суттєво впливає на коефіцієнт підси­лення підсилювача. В режимі підсилення електричних сигналів використовується від'єм­ний зворотний зв'язок. При цьому він забезпечує незмінність коефі­цієнта підсилення при зміні параметрів транзисторів, а також пони­жує рівень спотворень. Наявність додатного зворотного зв'язку змінює режим і підсилю­вач переходить в режим генерування сигналів.

4. Однокаскадні підсилювачі.

Як активний елемент підсилювача можуть бути використані біпо­лярний або польовий транзистори. Розглянемо роботу однокаскадно-го підсилювача на базі біполярного транзистора . В однокаскадному підсилювачі із спільним емітером вхі­дний сигнал подається в коло бази, а вихідний сигнал отримуємо між емітером і колектором транзистора. Оскільки вхідний струм і вхідна напруга в такій схемі відповідають відповідно струму бази й напрузі база-емітер, які незначні за величиною, а вихідний струм відповідає струму колектора й завдяки властивостям біполярного транзистора є значним, отримуємо в такій схемі значне підсилення за струмом та напругою сигналу. Тобто зміна вхідного струму призводить до зміни вихідного струму.

Конденсатори С12 використовують у випадку підсилення змінного вхідного сигналу для перешкоди протіканню постійного струму від джерела живлення, їх опір повинен бути незнач­ним в частотному діапазоні вхідного сигналу, тому що це впливає на частотну характеристику підсилювача.

На даний час ширше використовуються підсилювачі, виконані на польових транзисторах. Однокаскадний підсилювач за схемою із спільним витоком з одним джерелом живлення.

p5

Режим роботи польового транзистора в режимі спокою забезпечу­ється постійним струмом стоку та відповідною йому напругою стік-витік . Задання цього режиму здійснюється напругою змі­щення на затворі польового транзистора . Ця напруга виникає на резисторі rВ при проходженні струму ІВ = ІСо і прикладається до затвора завдяки гальванічному зв'язку через резистор R3. Резистор R3 > окрім забезпечення напруги зміщення затвора, використовується також для температурної стабілізації режиму роботи підсилювача за постійним струмом. Для того, щоб на резисторі RB не виділялася змінна складова напруги, його шунтують конденсатором Св і таким чином забезпечують незмінність коефіцієнта підсилення каскаду. Опір конденсатора Св на найнижчій частоті сигналу повинен бути набагато більшим від опору резистора RВ.