8.2 Усилительные элементы систем автоматики

В автоматике широко применяются специальные устройства – усилители, способные в десятки и сотни раз увеличивать мощность сигнала, поступающего с выхода датчика. Необходимость применения усилителя объясняется тем, что выходной сигнал датчика обычно очень слаб и недостаточен для управления исполнительными механизмами.

Основными характеристиками усилителя являются его рабочая характеристика и коэффициент усиления.

Рабочая характеристика усилителя представляет собой зависимость между выходной и входной величинами при установившемся режиме:

.

Коэффициентом усиления усилителя называют отношение значений величин на выходе и на входе усилителя:

.

В зависимости от средств передачи энергии усилители подразделяются на механические, гидравлические, пневматические, электрические, магнитные, электромагнитные и комбинированные. В автоматике наибольшее распространение получили рассмотренные ниже усилители, использующие в качестве внешнего источника электрическую энергию усиливающие сигнал по напряжению или мощности либо по напряжению и мощности одновременно. При этом иногда одновременно с усилением сигнала происходит преобразование переменного тока в постоянный или наоборот.

Электронные полупроводниковые усилители. К наиболее распространенным усилителям относятся усилители на электронных лампах, полупроводниковых приборах (транзисторах) и на интегральных микросхемах. В усилителях на электронных лампах основными элементами являются трехэлектронные или более сложные электронные лампы. Бурное развитие полупроводниковой техники вызвало широкое применение усилителей на полупроводниковых приборах, которые более надежны и компактны по сравнению с электронными лампами. Для построения полупроводниковых усилителей используют полупроводниковые триоды (транзисторы).

Транзисторы – это трехэлектродные полупроводниковые приборы. Они могут быть плоскостными и точечными. Широкое применение получили плоскостные транзисторы. В простейшем виде транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя чередующимися областями разной электропроводности, образующими два перехода. Две крайние области обладают проводимостью одного типа, средняя – проводимостью другого типа. Если в крайних областях преобладает дырочная проводимость, а в средней – элекронная, то такой прибор называют транзистором p – n – p типа (рис. 8.8, а).

Рис. 8.8. Схема транзистора (а) и усилителя на транзисторе (б):

К – коллектор; Б – база; Э – эмиттер

У транзистора n – p – n типа, наоборот, по краям расположены области с электронной проводимостью, а между ними – область с дырочной проводимостью.

Магнитные усилители. Усилители этого вида относятся к ферромагнитным устройствам и предназначены для увеличения мощности подводимых электрических сигналов за счет энергии местного источника. С помощью магнитных усилителей можно осуществлять суммирование, дифференцирование, интегрирование и сравнение сигналов, стабилизацию напряжения и тока и т. д. В усилителях следящего привода их применяют в основном в оконечных и предоконечных каскадах мощного усиления.

Магнитные усилители обладают высоким коэффициентом полезного действия и значительными коэффициентами усиления по мощности и току. Они надежно работают как при нормальных условиях, так и при повышенной влажности, при высокой и низкой температурах, при тряске, вибрации, ударных ускорениях и др.

Неотъемлемой частью любого магнитного усилителя является ферромагнитный сердечник, кривая намагничивания которого имеет нелинейный характер. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов резко изменяется при подмагничивании их постоянным током. На этом и основан принцип действия магнитных усилителей.

Магнитные усилители обладают следующими положительными качествами: отсутствием электрической связи между цепью нагрузки и цепями управления, а также возможностью суммирования на обмотках управления нескольких входных сигналов, не связанных электрически; простотой и надежностью конструкции; легкостью эксплуатации; постоянной готовностью к действию; отсутствием вращающихся частей и подвижных контактов; возможностью значительных перегрузок; высоким коэффициентом полезного действия. Эти достоинства обеспечили магнитным усилителям широкое распространение. Они обеспечивают плавное регулирование частоты вращения двигателей постоянного ток и строгое соблюдение необходимого режима работы для основных регулируемых механизмов технологических процессов.

Электромагнитные усилители. Электромагнитные усилители – это специальные электрические генераторы постоянного тока, мощность на выходе которых регулируется путем изменения мощности управления. Однако наряду с достоинствами (большой коэффициент усиления мощности, сравнительно малые габаритные размеры) они обладают существенными недостатками (склонность к самовозбуждению, невысокая надежность и долговечность), что создает возможность применения их в малоответственных системах автоматического регулирования. ЭМУ в настоящее время не находят применения в системах автоматики в транспортном строительстве.

Реле. Одним из наиболее распространенных элементов автоматики является реле – устройство, реагирующее на изменение тех или иных факторов замыканием или размыканием своих контактов под воздействием электрического тока, световой энергии, давления жидкости или газов, уровня жидкости, температуры и т.п.

Параметр срабатывания реле – минимальное значение физической величины (тока, напряжения, давления и др.), при которой происходит срабатывание реле, т.е. изменение его состояния. На характеристике (рис. 8.9) параметр срабатывания реле соответствует и скачкообразному изменению выходной величиныотдо.

Рис. 8.9. Статическая характеристика реле

Параметр отпускания реле – максимальное значение физической величины (тока, напряжения, давления, температуры и др.) при котором реле возвращается в первоначальное состояние (на характеристике он соответствует и скачкообразному изменению выходной величины отдо; обычно).

По принципу действия реле подразделяют на электромеханические (электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические и индукционные), электронные, тепловые, механические и др.

Электромагнитные реле получили наибольшее распространение в системах электроавтоматики и служат в основном для коммутации электрических цепей. Действие реле (рис. 8.10) заключается в притяжении стального якоря 2 к сердечнику 3 электромагнита, по обмотке 4 которого пропускается управляющий ток. При отсутствии тока якорь оттягивается от сердечника возвратной пружиной 1. Якорь замыкает или размыкает контакты 5. Электромагнитные реле по роду используемого тока подразделяются на реле постоянного и переменного тока.

Рис. 8.10. Схема электромагнитного реле

Реле переменного тока (рис. 8.11) состоит из тех же деталей, что и реле постоянного тока. Отличие заключается в том, что сердечник 1, ярмо 2 и якорь 3 этого реле изготавливаются из листовой электротехнической стали с целью уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи. Сила притяжения якоря реле переменного тока принимает нулевые значения в момент прохождения магнитного потока, изменяющегося по синусоидальному закону, через нуль. В эти моменты возвратная пружина может оттянуть назад малоинерционный якорь и вызвать его вибрацию и даже искрение контактов реле. Для устранения этого нежелательного явления реле переменного тока изготавливают с короткозамкнутым витом 4, охватывающим часть сердечника (рис. 8.11). Реле имеют большое количество различных контактов и контактных пар на замыкание и размыкание.

Рис. 8.11. Схема электромагнитного реле переменного тока

Реле постоянного тока являются наиболее распространенным видом реле. Они подразделяются на нейтральные и поляризованные. Поляризованное реле в отличие от нейтрального работает в зависимости от полярности приложенного напряжения. Поляризованное реле отличается от обычного электромагнитного реле дополнительной установкой постоянного магнита и зависимостью направления перемещения якоря от напряжения намагничивающего тока. Высокая чувствительность, малое время срабатывания и возможность реагирования на полярность управляемого сигнала делают реле незаменимым в автоматике. Поляризованные реле могут быть двухпозиционными и трехпозиционными с тремя устойчивыми положениями: средним и двумя крайними.

Тепловое реле срабатывает в результате изменения температуры. Основной частью большинства тепловых реле является биметаллическая пластина, состоящая из двух спаянных пластинок из различных металлов, имеющих разные коэффициенты температурного расширения. При пропускании тока по обмотке биметаллическая пластина, нагреваясь, изгибается и замыкает рабочие контакты. Тепловые реле находят широкое применение в различных схемах защиты, например в схеме защиты электродвигателей от перегрузки. В схемах автоматики применяют тепловые реле типов ТРВ-113, ВПУ, РВТ-150, РТ и др.

Реле времени – это специальное устройство, предназначенное для получения заданной выдержки времени при включении электрических цепей. Увеличение времени срабатывания или отпускания реле достигается магнитным, электрическим или механическим способом. Магнитный способ замедления действия реле предусматривает увеличение времени изменения магнитного потока. В этом случае на магнитопровод реле надевают медный короткозамкнутый виток, в котором при подаче напряжения на обмотку реле возникает электрический ток, создающий размагничивающий магнитный поток.

Контактором называют аппарат для дистанционного включения и отключения силовых электрических цепей. По принципу действия электромагнитный контактор аналогичен электромагнитному реле.

Как правило, контактор состоит из контактов, осуществляющих замыкание и размыкание силовой цепи тока, электромагнита и дугогасительного устройства. Кроме главных контакторов, зачастую устанавливают один или несколько блок-контактов, предназначенных для коммутации цепей управления, а также для связи с другими аппаратами сигнализации и электронной блокировки.

Магнитный пускатель представляет собой электромагнитный контактор переменного тока, смонтированный в стальном корпусе вместе с тепловым или другого типа реле защиты от перегрузки или коротких замыканий. В системах автоматического управления и регулирования магнитные пускатели могут быть применены для включения привода различных исполнительных механизмов, а также для дистанционного управления асинхронными двигателями малой и средней мощности.

Все большее применение в системах автоматического управления находят герметизированные магнитоуправляемые контакторы (МУК) – герконы, которые размещаются внутри обмотки и по существу представляют собой безъякорное реле. Контакты в виде двух пластин из ферромагнитного материала помещаются внутри стеклянной ампулы, наполненной аргоном (иногда водородом, азотом). При подаче входного сигнала в обмотку, внутри которой расположен магнитоуправляемый контакт (число их иногда достигает десятка), происходит намагничивание ферромагнитных пластин, возникают усилия притяжения и концы пластин образуют контакт, коммутирующий выходную цепь нагрузки. При отключении обмотки от источника сигнала пластины под действием упругих сил возвращаются в исходное положение. Малое расстояние между контактами и инерционность подвижных частей обеспечивают высокое быстродействие реле – время срабатывания их достигает 10 мкс. Магнитоуправляемые контакты часто используются во всякого рода конечных выключателях, счетчиках импульсов и т.д.

Электронное реле состоит из электронного усилителя и электромагнитного реле, катушка которого включена в выходную цепь усилителя. Благодаря усилителю мощность срабатывания электронного реле достигает 10^-8 – 10^-10 Вт. Основным достоинством электронных реле является то, что они реагируют на управляющие сигналы ничтожной мощности.

Фотореле называется устройство, скачкообразно переключающее электрическую цепь при изменении освещенности. В качестве элементов, реагирующих на освещенность, в фотореле используются фотоэлементы (фотодиод, фототранзистор или фоторезистор).