Основы автоматики и автоматизации. Элементы систем автоматики

Процесс стекания зарядов ограничивает и область применения пьезоэлектрических датчиков особенно для контроля процессов, медленно изменяющихся во времени. Однако высокая собственная частота подобных датчиков позволяет весьма успешно использовать их для измерения быстро изменяющихся (с частотой в несколько килогерц) давлений, усилий, ускорений, вибраций и деформаций.

Необходимо отметить, что для диэлектриков также имеет место и обратный пьезоэлектрический эффект - деформация диэлектриков при воздействии на них электрического поля, т.е. под действием приложенного напряжения, и это свойство в устройствах автоматики тоже широко используется.

Современные материалы - сегнетоэлектрики имеют более высокую чувствительность и позволяют получать высокие значения выходного напряжения (до нескольких десятков и даже сотен вольт). Поэтому подобные преобразователи используют в качестве источников электрической энергии в некоторых системах зажигания. Пьезоэлектрические датчики часто применяют в весоизмерительных установках для взвешивания транспорта во время его движения. Кроме этого, они широко используются в качестве акустических излучателей и приемников, в частности, для контроля качественных параметров строительных материалов и конструкций и, конечно, в звукотехнике (микрофоны, звукосниматели и даже громкоговорители).

В индукционных датчиках используется явление электромагнитной индукции, т.е. возникновение электродвижущей силы в проводнике при движении его в магнитном поле (е = -Blv) или при изменении величины магнитного поля относительно неподвижного проводника (е = -dФ/dt), согласно закону электромагнитной индукции.

Индукционные датчики являются датчиками-генераторами, в которых входная величина (угловое, линейное перемещение или угловая скорость) непосредственно преобразуется в электродвижущую силу. Например, тахогенераторы - датчики угловой скорости, которые представляют собой генераторы постоянного или переменного тока небольшой мощности, вырабатывающие э.д.с., пропорциональную скорости вращения рабочего органа. Для измерения угловых перемещений широкое применение получили вращающиеся трансформаторы и сельсимны, которые конструктивно также являются электрическими машинами малой мощности, работающими от сети переменного тока. Так в сельсимнах (рис. 2.20), переменный ток i, проходящий по обмотке возбуждения статора, создает внутри его переменное синусоидальное магнитное поле , и оно, согласно закону электромагнитной индукции, индуцирует в роторных обмотках электродвижущую силу, величина которой зависит от угла поворота ротора сельсимна б относительно его статора.

Рис. 2.20. Схема сельсимна

При использовании системы, состоящей из двух сельсимнов, включенных по трансформаторной схеме, её выходное напряжение пропорционально угловому перемещению ротора одного из сельсимнов в определенных пределах изменения этого угла.

В гальванических датчиках используется явление электрохимической реакции в растворе электролита с находящимися в нем электродами, а это - возникновение электродвижущей силы в результате восстановительной реакции на положительном электроде и окислительной на отрицательном. Конструктивно эти датчики аналогичны рассмотренным выше электролитическим датчикам, но в гальванических используются электроды, изготовленные из разных материалов и в них происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. Величина получаемой при этом э.д.с. зависит как от материала электродов, так и от состава электролита. На этом принципе работают все гальванические источники питания, такие как аккумуляторы и батареи, применяемые в качестве автономных источников электрической энергии и рН-метры - приборы для измерения кислотности различных материалов и растворов.

В технике широко используются полярографические преобразователи, сочетающие в своей работе свойства и гальванических и электролитических датчиков. Такие преобразователи предназначены для целей качественного и количественного анализа растворов и материалов, результаты которого представляются в виде кривой (вольтамперной характеристики). Этот метод был разработан российским ученым Горовским в 1922 году и в его основе лежит зависимость между силой тока и концентрацией вещества в растворе, обусловливающей величину этого тока.

Основное применение метода - это определение примесей различных металлов (меди, свинца, кадмия, цинка, талия и др.) в реактивах, сплавах, рудах, причем при их очень низкой концентрации. Например, в системах водоснабжения такие датчики используются для контроля наличия тяжелых металлов в питьевой воде. Предназначенные для этого приборы - полярографы записывают полярограмму - кривую зависимости силы тока, протекающего через раствор (воду) от приложенного напряжения (рис. 2.21).

Наличие резкого увеличения тока (скачка на вольтамперной характеристике) при определенном значении напряжения указывает на присутствие в растворе конкретного металла, которому соответствует именно эта величина напряжения. Процентное же содержание металла в растворе определяется величиной этого увеличения (скачка тока) при соответствующем напряжении.

Датчик Холла - полупроводниковый преобразователь силы электрического тока в напряжение (э.д.с. Холла), действие которого основано на эффекте Холла. Эффект Холла - это возникновение поперечного электрического поля в проводнике или полупроводниковом материале с током, при помещении его в магнитное поле (рис. 2.22).

Рис. 2.22. Работа датчика Холла

Датчики Холла, в основном, используются для измерения величины магнитного поля и магнитной индукции. Они нашли широкое применение в электронике, автоматике, измерительной и вычислительной технике, а также в современных системах зажигания двигателей внутреннего сгорания. В настоящее время эти датчики применяются в системах бесконтактного измерения ширины железнодорожной колеи новых путеизмерительных вагонов. Использование бесконтактного метода позволяет производить контроль состояния пути при более высоких скоростях движения вагона, что значительно увеличивает производительность за счёт сокращения времени выполнения подобных измерений.

3. Элементы автоматики для преобразования информации

3.1 Схемы включения датчиков

Схемы включения датчиков, чаще называемые измерительными схемами, предназначены для преобразования выходной величины датчика, а в большинстве случаев это изменение их внутреннего сопротивления, в более удобную величину для её последующего использования. Это, как правило, электрический ток или изменение напряжения, которые можно либо непосредственно определить с помощью электроизмерительного прибора либо, предварительно усилив, подать на соответствующее исполнительное или регистрирующее устройство.

Для этих целей широкое применение получили следующие схемы включения:

а) последовательная,

б) мостовая,

в) дифференциальная,

г) компенсационная.

Последовательная схема включения состоит из источника питания постоянного или переменного тока, самого датчика Rx, измерительного прибора или непосредственно исполнительного элемента и, обычно, добавочного сопротивления Rд, которое ограничивает ток в этой цепи (рис. 3.1). Подобная схема включения, чаще всего, находит широкое применение лишь с контактными датчиками, для которых Rх=0 или же Rх=?. Так как при работе с другими датчиками в цепи измерительного прибора всегда протекает электрический ток, определяемый выражением , а незначительное изменение внутреннего сопротивления датчика приводит к очень малому изменению этого тока. В результате используется минимальный участок шкалы измерительного прибора, а точность измерения практически сводится к нулю. Поэтому для большинства других датчиков применяются специальные измерительные схемы, позволяющие значительно увеличить чувствительность и точность измерения.

Наиболее часто используется мостовая схема включения, при которой один, а иногда и несколько датчиков определенным образом соединяются совместно с дополнительными резисторами в четырехугольник (так называемый мост Уинстона), у которого имеются две диагонали (рис.3.2). Одна из них, называемая диагональю питания a-b, предназначена для подключения источника постоянного или переменного тока, а в другую, измерительную, диагональ c-d включается измерительный прибор.

При равенстве произведений величин сопротивлений противоположных сторон четырехугольника (плеч мостовой схемы) потенциалы точек c и d будут равны, и ток в измерительной диагонали будет отсутствовать. Такое состояние мостовой схемы принято называть равновесием моста, т.е. мостовая схема сбалансирована. Если же сопротивление датчика Rх от внешнего воздействия изменится, то равновесие будет нарушено и по измерительному прибору будет протекать ток, пропорциональный изменению этого сопротивления. При этом направление этого тока показывает, как изменилось сопротивление датчика (возросло или уменьшилось). Здесь при соответствующем выборе чувствительности измерительного прибора может использоваться вся его рабочая шкала.

Рассмотренная мостовая схема называется неравновесной, так как процесс измерения производится при разбалансе моста, т.е. нарушении равновесия. Неравновесная мостовая схема чаще всего используется в тех случаях, когда сопротивление датчика при воздействии внешних сил может изменяться за единицу времени очень быстро, но тогда вместо измерительного прибора целесообразнее использовать регистрирующее устройство, которое и зафиксирует эти изменения.

Более чувствительной считается равновесная мостовая схема, в которой в два смежных плеча дополнительно подключается специальный измерительный реостат R (рис.3.3), оснащенный шкалой и называемый в измерительной технике реохордом.

В работе с такой схемой, при каждом изменении сопротивления датчика мостовая схема должна быть вновь уравновешена с помощью включенного реохорда, т.е. до отсутствия тока в измерительной диагонали. В этом случае, значение измеряемого параметра (изменение величины сопротивления датчика) определяется по специальной шкале, которой оснащается этот реохорд и проградуированной в единицах измеряемой датчиком величины.



Более высокая точность равновесного моста объясняется тем, что отсутствие тока в измерительном приборе зафиксировать легче, чем непосредственно измерить его величину, а уравновешивание моста в подобных случаях, как правило, выполняется с помощью специального электродвигателя, управляемого сигналом разбаланса мостовой схемы (см. вторую часть настоящего учебного пособия).

Мостовые схемы включения датчиков считаются универсальными, т.к. питание их может осуществляться как постоянным, так и переменным током, а самое главное, в эти схемы могут включаться одновременно несколько датчиков, что способствует повышению не только чувствительности, но и точности измерения.

Дифференциальная схема включения датчиков строится с использованием специального трансформатора, питаемого от сети переменного тока, вторичная обмотка которого разделена на две одинаковые части. Таким образом, в этой схеме (рис. 3.4) образуются два смежных контура электрической цепи, по каждому из которых протекает свой контурный ток I1 и I2. А величина тока в измерительном приборе определяется разностью этих токов, и при равенстве сопротивлений датчика Rx и дополнительного резистора Rд ток в измерительном приборе будет отсутствовать. При изменении сопротивления датчика по измерительному прибору потечет ток, пропорциональный этому изменению, а фаза этого тока будет зависеть от характера изменения этого сопротивления (увеличения или уменьшения). Для питания дифференциальной схемы используется только переменный ток и поэтому в качестве датчиков здесь целесообразнее использовать реактивные датчики (индуктивные или емкостные).

Особенно удобно применять такую схему включения при работе с дифференциальными индуктивными (рис. 2.13) или емкостными датчиками. При использовании подобных датчиков, фиксируется не только величина перемещения, например, ферромагнитного сердечника (рис.3.5), но и направление этого перемещения (его знак), в результате чего изменяется фаза переменного тока, проходящего по измерительному прибору. При этом дополнительно увеличивается и чувствительность измерения.

Следует отметить, что для увеличения точности измерения в некоторых случаях применяют другие разновидности подобных измерительных схем, например, равновесные дифференциальные схемы. В такие схемы включают либо реохорд, либо специальный измерительный автотрансформатор со специальной шкалой, а процесс измерения с подобными схемами аналогичен измерениям с равновесной мостовой схемой.

Компенсационная схема включения датчиков считается самой точной из всех рассмотренных выше. Работа ее основана на компенсации выходного напряжения или э.д.с. датчика равным ему падением напряжения на измерительном реостате (реохорде). Для питания компенсационной схемы используется только источник постоянного тока и применяется она, в основном, с генераторными датчиками постоянного тока.

Рассмотрим работу этой схемы на примере использования в качестве датчика термопары (рис. 3.6).

Под действием приложенного напряжения U по измерительному реостату протекает ток, который вызывает падение напряжения U1 на участке реостата от его левого вывода до движка. В случае равенства этого напряжения и э.д.с. термопары - ех ток через измерительный прибор будет отсутствовать. Если величина э.д.с. датчика изменяется, необходимо с помощью движка реохорда снова добиваться отсутствия этого тока. Здесь, как и в равновесной мостовой схеме, величина измеряемого параметра, в нашем случае - температуры (э.д.с. термопары) определяется по шкале реохорда, а перемещение его движка выполняется, чаще всего, также с помощью специального электродвигателя, как упоминалось выше.

Высокая точность компенсационной схемы обусловлена тем, что в момент измерения электрическая энергия, вырабатываемая датчиком, не потребляется, так как ток в цепи его включения равен нулю. Эту схему можно применять и с параметрическими датчиками, но тогда необходим дополнительный источник постоянного тока, используемый в цепи питания параметрического датчика.

3.2 Усилители

Усилителем называется устройство, входная и выходная величины которого имеют одинаковую физическую природу и предназначенное для количественного преобразования входного сигнала за счет энергии внешнего источника питания.

Основное назначение усилителей - это усиление очень малых значений выходных параметров датчиков или тех измерительных схем, в которые эти датчики включены. К усилителям, как элементам автоматики, предъявляются следующие основные требования:

1) Статическая характеристика усилителя должна быть линейной (рис. 3.7)

Рис. 3.7. Статическая характеристика усилителя

2) Усилитель должен обладать достаточным коэффициентом усиления k = tg = хвых/хвх > max.

3) Частотная характеристика усилителя k = f(), где =2f, должна быть равномерной, т.е. коэффициент усиления должен оставаться постоянным в широком диапазоне частот (f1 - f2) входного сигнала (рис. 3.8, а), называемого полосой пропускания усилителя.

Исключение составляют усилители, предназначенные для усиления сигналов одной определенной частоты f0. Частотная характеристика таких усилителей должна быть резонансной (рис. 3.8, б), т.е. коэффициент усиления должен быть максимальным только для этой частоты.

Рис. 3.8. Частотные характеристики:

а - широкополосного усилителя; б - резонансного усилителя

Кроме этого, усилители должны иметь высокую чувствительность.

В зависимости от вида источника питания и характера входного сигнала усилители делятся на:

- механические;

- гидравлические;

- пневматические;

- электромеханические;

- электрические.

В автоматических системах при производстве строительных работ находят применение все перечисленные разновидности усилителей, но так как в современных системах, в основном, используется электрическая энергия, в настоящем пособии рассмотрены две последние.

3.2.1 Электромеханические усилители

Такие усилители, называемые чаще всего электромашинными усилителями (ЭМУ), предназначены для систем автоматизированного электропривода для управления работой двигателей постоянного тока, в том числе и тяговых двигателей локомотивов. Конструктивно ЭМУ представляют собой электрические машины, приводимые во вращение асинхронными двигателями или двигателями внутреннего сгорания, и фактически они являются генераторами постоянного тока.

Самым простейшим ЭМУ является генератор постоянного тока (ГПТ) с независимой обмоткой возбуждения (рис. 3.9, а). Входным параметром подобного усилителя является ток управления (Iу) в обмотке возбуждения ОВ, (wу - количество витков этой обмотки), а выходной величиной ток в нагрузке, подключенной к якорю генератора, и протекающий под действием вырабатываемой генератором э.д.с. - Е. Коэффициент усиления такого усилителя невысок и составляет k ? 100, но его можно увеличить, если использовать дополнительную обмотку возбуждения, подключенную параллельно якорю так, чтобы её магнитный поток Фос по направлению совпал с магнитным потоком Фу (рис 3.9, б).

Рис. 3.9. Генератор постоянного тока:

а - с независимой обмоткой возбуждения; б - с параллельной обмоткой возбуждения

При этом суммарный поток увеличивается. Здесь параллельная обмотка возбуждения выполняет функцию элемента положительной обратной связи, за счет чего коэффициент усиления возрастает и может достигать k = 1000.

В большинстве же случаев в качестве подобных усилителей используют специальные ЭМУ с поперечным магнитным полем (рис 3.10), представляющие собой совокупность ГПТ с короткозамкнутым якорем и несколькими обмотками возбуждения.

Рис. 3.10. Электромашинный усилитель с поперечным магнитным полем

В конструкции такого генератора используются две пары щеток, расположенные перпендикулярно друг другу и при этом одна пара щеток закорочена. Это приводит к появлению в цепи якоря максимального тока короткого замыкания Iк, который создает поперечное магнитное поле Фпп в генераторе очень большой величины. В результате в якоре вырабатывается максимальная величина э.д.с. - Е, и выходной ток Iн, поступающий в нагрузку, значительно возрастает. Кроме этого, в цепи якоря и нагрузки включена специальная компенсационная обмотка wк, величину магнитного потока Фк которой можно изменять с помощью параллельно подключенного реостата Rш. Эта обмотка предназначена для компенсации продольного магнитного потока Фпд, создаваемого в якоре большим током нагрузки, и тем самым управлять внешней характеристикой ЭМУ в зависимости от величины этой нагрузки, устанавливая в ней оптимальный ток. Коэффициент усиления таких ЭМУ может достигать значения k = 10000.

Заметим, что источником питания рассмотренных ЭМУ является механическая энергия, приложенная к вращающемуся якорю ().

3.2.2 Электрические усилители

Электрические усилители, использующие в качестве источников питания электрическую энергию, подразделяются на магнитные и электронные усилители.

Принцип действия магнитных усилителей основан на изменении магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника с катушкой от величины подмагничивающего (управляющего) тока Iу, проходящего по этой катушке (рис. 3.11, а). Это изменение объясняется нелинейностью кривой намагничивания ферромагнитных материалов (рис. 3.11, б). Из графика (рис. 3.11, в) видно, что величина магнитной проницаемости, определяемая выражением , изменяется и зависит от параметра Н0, который создается в сердечнике током управления, проходящем по катушке.

Рис. 3.11. Ферромагнитный сердечник с катушкой: а - устройство; б - кривая намагничивания сердечника; в - зависимость м и L от напряженности магнитного поля

В качестве сердечников для магнитных усилителей используются такие материалы, как специальная трансформаторная сталь или пермаллой, обладающие высоким значением величины магнитной проницаемости ..

Простейший дроссельный магнитный усилитель (МУ) конструктивно (рис. 3.12, а) подобен трансформатору, т.к. у него помимо обмотки управления - wу имеется вторая обмотка wр - рабочая, подключенная последовательно с нагрузкой Rн к сети переменного тока.

Величина тока нагрузки, определяемая выражением , будет зависеть от тока в обмотке управления, потому что полное сопротивление цепи нагрузки зависит от её индуктивной составляющей, где L -индуктивность рабочей обмотки, а она пропорциональна величине магнитной проницаемости µ (рис. 3.11, в). В результате зависимость тока в нагрузке от величины тока управления, т.е. статическая характеристика такого усилителя, имеет обратный вид (рис. 3.12, б).

Рис. 3.12. Дроссельный магнитный усилитель:

а - устройство; б - статическая характеристика

Рассмотренный дроссельный магнитный усилитель обладает существенным недостатком. В его работе, при увеличении тока в нагрузке и соответственно создаваемого им магнитного потока Ф в сердечнике, в обмотке управления (согласно закону электромагнитной индукции) наводится переменная э.д.с., которая искажает ток управления, увеличивает потери и снижает к.п.д. такого усилителя.

Поэтому, обычно, при изготовлении МУ используют два сердечника, которые охвачены одной общей обмоткой управления, а две рабочие обмотки, размещенные на каждом сердечнике отдельно, соединяются последовательно (рис. 3.13) или параллельно. При такой конструкции результирующий магнитный поток в обмотке управления отсутствует, но статическая характеристика остается прежней (рис. 3.12, б).

Из всего этого можно заключить, что сигналом постоянного тока Iу небольшой мощности, подаваемым в обмотку управления магнитного усилителя, можно управлять относительно большой мощностью переменного тока Iн в нагрузке.

Однако, анализируя статическую характеристику МУ, можно, с точки зрения требований к усилителям, отметить его основные недостатки:

- статическая характеристика линейна только на небольшом рабочем участке от Iу1 до Iу2 (рис. 3.12, б);

- МУ имеет невысокий коэффициент усиления;

- ток в нагрузке не зависит от полярности тока управления.

Так, для определения полярности входного сигнала на оба сердечника вместе с обмоткой управления укладывается ещё одна - обмотка смещения, на которую подается ток смещения от отдельного регулируемого источника питания. В результате, магнитный поток этой обмотки позволяет сместить характеристику МУ влево (рис. 3.14, а) и тогда при положительной полярности тока управления ток в нагрузке будет увеличиваться, а при отрицательной - уменьшаться (в пределах рабочего участка усилителя). Положение рабочей точки А усилителя устанавливается величиной тока в обмотке смещения.

Для увеличения коэффициента усиления МУ, как правило, используется положительная обратная связь. Существуют различные способы её реализации, но в результате статическая характеристика усилителя изменяется (рис. 3.14, б), причём наклон её правой полуветви увеличивается, а левой - уменьшается, хотя при этом сокращается диапазон изменения входного сигнала. Следует заметить, что положительная обратная связь широко используется для создания на базе магнитных усилителей бесконтактных магнитных реле БМР (см. раздел 3.3. Реле).

Рис. 3.14. Статические характеристики магнитного усилителя:

а - с обмоткой смещения; б - с обратной связью

Рассмотренные варианты МУ и схема усилителя (рис. 3.13) называется однотактной, и её главный недостаток - наличие тока в нагрузке даже при отсутствии входного сигнала, что в некоторых устройствах недопустимо. В таких случаях применяют двухтактные схемы МУ, что позволяет получить статическую характеристику более приближенную к идеальной на её рабочем участке. На рис. 3.15 представлено построение статической характеристики такого усилителя, состоящего из двух одинаковых однотактных усилителей с обмотками смещения (кривые 1 и 2 рис. 3.15).

По результирующей характеристике такого МУ (кривая 3) видно, что коэффициент усиления двухтактного усилителя, при этом, увеличивается в два раза, расширяется рабочий участок усилителя, и полярность входного сигнала изменяет направление, то есть фазу переменного тока в нагрузке. Такое изменение фазы тока нагрузки обычно применяется в системах электропривода с асинхронными двигателями, используемыми в качестве исполнительных элементов.

В системах автоматики широкое применение получили магнитные усилители самых различных схем и модификаций. Их основное достоинство - это возможность питания вместе с нагрузкой, например, электромагниты и электродвигатели, непосредственно от сети переменного тока. Такие усилители применяются для усиления сигналов постоянного тока и, кроме этого, они имеют простую конструкцию и высокую надёжность. К недостаткам МУ следует отнести их существенную инерционность за счёт большой постоянной времени, определяемой, в основном, обмоткой управления, довольно узкую полосу пропускания частот и искажение входного сигнала из-за нелинейности характеристики сердечника, а также довольно значительные габариты и вес. По этой причине они совершенно не используются в звукотехнике.

Работа электронных усилителей основана на взаимодействии основных носителей электрического тока - электронов с магнитными и электрическими полями в различных электронных приборах и материалах.

Для построения электронных усилителей используются самые различные усилительные и управляемые элементы, такие как:

- электровакуумные приборы (электронные лампы),

- газонаполненные приборы (тиратроны),

- полупроводниковые приборы (транзисторы, тринисторы, интегральные микросхемы и т.п.).

Многообразие электронных усилителей очень велико, поэтому в настоящем пособии остановимся на главном.

Электронные усилители чаще других применяются в современных устройствах автоматики благодаря их высоким техническим параметрам и прекрасным характеристикам, минимальному потреблению энергии и небольшим габаритам и, самое главное, они практически безынерционны и поэтому лучше всего удовлетворяют тем требованиям, которые к усилителям предъявляются.

Значительные успехи в развитии техники и, особенно, в области технологии полупроводниковых материалов позволили в последнее время почти полностью исключить использование электронных и ионных (газонаполненных) приборов в качестве усилительных элементов.

К полупроводниковым приборам и элементам, используемым в современных усилителях, относятся:

- полупроводниковые резисторы, реагирующие на многие внешние факторы (именно поэтому они нашли применение в качестве различных датчиков);

- полупроводниковые вентили (диоды) и стабилитроны;

- транзисторы, многообразие которых в настоящее время особенно велико (от маломощных до сильноточных, от низкочастотных до высокочастотных);

- многослойные, в том числе и управляемые приборы, такие как динисторы, тиристоры (тринисторы), варисторы, семисторы и др.;

- оптроны (оптико-электрические преобразователи);

- интегральные микросхемы, представляющие собой кристаллы, в структуру которых включены различные комбинации всех выше перечисленных элементов и являющиеся основой различных узлов современных процессоров и компьютеров.

Транзисторы были первыми усилительными элементами, пришедшими на смену электровакуумным приборам, и их сначала называли полупроводниковыми триодами (по аналогии с ламповыми триодами). Они представляют собой кристаллы (в основном из германия или кремния) с тремя чередующимися областями электронного n и дырочного р типов электрической проводимости, разделенные между собой двумя p-n переходами (рис. 3.16).

При изменении силы тока через один р-п переход происходит изменение электрического сопротивления другого р-п перехода, и, в результате, с помощью небольшого входного сигнала Iб (тока в цепи базы транзистора) происходит управление значительно бомльшим током, протекающим в цепи его коллектора Ik.

В автоматических системах широкое применение получили следующие разновидности усилителей:

- усилители постоянного тока - для усиления медленно изменяющихся во времени входных сигналов;

- апериодические (широкополосные) усилители - для усиления сигналов переменного тока в очень широком диапазоне частот.

- резонансные (избирательные) усилители - для усиления входных сигналов только одной (определённой) частоты;

- модулирующие усилители - для усиления и преобразования медленно изменяющегося сигнала в модулированное напряжение переменного тока высокой частоты;

- фазочувствительные усилители - для усиления и фазочувствительного выпрямления сигналов переменного тока.

Рассмотрим схему однокаскадного широкополосного усилителя на транзисторе VT (рис. 3.17). Его работу можно проследить с помощью графического построения основных характеристик используемого транзистора (рис. 3.18) и синусоидального входного сигнала.

По входной характеристике транзистора - зависимости тока базы от напряжения на ней (кривая 1) при наличии входного сигнала (кривая 2) происходит синусоидальное изменение тока базы (кривая 3), которое через переходную характеристику транзистора (прямая 4) изменяет соответственно и ток коллектора (кривая 5). По выходным характеристикам транзистора 6 видно, как изменяется напряжение на коллекторе и на нагрузке, подключенной к нему через выходную ёмкость Свых (кривая 7). Таким образом, незначительное изменение входного сигнала приводит к существенному изменению выходного напряжения. Линия 8 представляет собой нагрузочную прямую, наклон которой зависит от сопротивления в цепи коллектора Rk и от величины напряжения источника питания Еk. Точка А является рабочей точкой усилителя, которая устанавливается величиной тока в цепи базы Iб с помощью резистора Rб.

Статическую характеристику электронного усилителя - зависимость Uвых = f(Uвх) принято называть амплитудной характеристикой (рис. 3.19, а), и она линейна на участке от 0 до Uвхтах, так как ограничена входной характеристикой транзистора и величиной источника питания Ек, а наклон её определяет величину коэффициента усиления. При необходимости получения большего усиления входного сигнала применяют последовательное включение двух и более подобных усилителей (каскадов), т.е. используют многокаскадные усилители.

Рис. 3.19. Амплитудная (а) и частотная (б) характеристики электронного усилителя

Частотная характеристика рассмотренного усилителя представлена на рис. 3.19, б, и полоса пропускания его (f1 - f2) ограничена, в основном, величинами входной и выходной емкостей (Свх и Свых), а также частотными свойствами самого транзистора.

Чтобы рассмотренный усилитель стал избирательным и имел резонансную частотную характеристику (рис. 3.8, б), необходимо в цепи коллектора в качестве нагрузки включить колебательный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности (рис. 3.20).

Величина максимального коэффициента усиления такого усилителя будет на частоте , т.е. определяться параметрами этого колебательного контура.

Такие резонансные усилители, совместно с модулирующими усилителями широко используются при частотном методе передачи информации (см. раздел 4. Элементы автоматики для передачи и приёма информации).

Поскольку основным видом энергии на современном производстве является переменный ток (f = 50 Гц), то в системах управления различными приводными механизмами с электродвигателями и электромагнитами широко применяются фазочувствительные усилители (ФЧУ), схема одного из которых представлена на рис. 3.21.

Рис. 3.21. Электрическая схема фазочувствительного усилителя

В этом усилителе происходит сравнение фаз двух напряжений: входного сигнала Uвx и опорного напряжения Uon, являющегося источником питания. При фазе, т.е. полярности этих напряжений, показанных на схеме без скобок, выходное выпрямленное напряжение будет положительным, а его величина пропорциональна входному сигналу. При противоположных фазах этих напряжений - напряжение на выходе будет той же величины, но отрицательным.

Фазочувствительные усилители очень широко применяются с индукционными датчиками переменного тока, например, с сельсинами, а также с индуктивными датчиками при дифференциальной схеме их включения.

3.3 Реле

Реле - это элемент автоматики, в котором при достижении входной величины определенного значения происходит скачкообразное изменение выходной величины.

Статическая характеристика реле имеет ярко выраженный нелинейный характер и, в большинстве случаев, обладает гистерезисностью.

Релейные элементы предназначены для автоматического включения и переключения электрических цепей под действием входного сигнала небольшой мощности и используются для самых различных целей:

- для выявления предельных значений входной величины;

- для усиления сигнала;

- для изменения времени действия сигнала;

- для переключения сигнала по различным каналам;

- для одновременного управления несколькими объектами.

Причем, это многообразие их применения позволяет отнести реле почти к каждой группе элементов автоматики, рассмотренных в первом разделе настоящего пособия.

В зависимости от вида входной и выходной величин реле, как и другие элементы автоматики, можно разделить на:

- механические (гидравлические и пневматические);

- электрические (электромеханические и бесконтактные).

В различных автоматических устройствах наибольшее применение получили именно электрические реле, и, в первую очередь конечно, электромеханические, по устройству и принципу действия которых их (аналогично с электроизмерительными приборами) можно подразделить на:

- электромагнитные,

- магнитоэлектрические,

- электродинамические,

- индукционные.

На рис. 3.22, а показано устройство нейтрального электромагнитного реле, как самого распространенного до настоящего времени, и появление которого было связано с изобретением в 1832 году П.Л.Шиллингом электромагнитного телеграфа (см. Введение). Поэтому это реле можно считать не только самым первым электрическим элементом автоматики вообще, а и настоящим долгожителем в его практическом использовании. На рис. 3.22, б представлено наиболее часто используемое изображение этого реле на принципиальных электрических схемах.

Рис. 3.22. Нейтральное электромагнитное реле:

а - устройство; б - изображение реле на принципиальных электрических схемах

Входной величиной такого реле является ток, проходящий по его обмотке 1 под действием приложенного к ней напряжения, который создаёт в этой обмотке магнитное поле. Сердечник 2, находящийся внутри этой катушки, вместе с ярмом 3 и подвижным якорем 4 образуют магнитную цепь (магнитопровод), по которой проходит созданный током магнитный поток. При этом якорь притягивается к сердечнику и, при своём движении, воздействует на контактную группу 5, производя замыкание верхних, нормально разомкнутых (фронтовых) контактов, и размыкание нижних, нормально замкнутых (тыловых) контактов. Выходной величиной рассмотренного реле необходимо считать ток, коммутируемый этими контактами в другой (вторичной) цепи, а величина этого тока зависит от того, что в этой цепи включено. Статической характеристикой реле, таким образом, является зависимость тока в цепи контактов (например, фронтовых) от величины тока, проходящего по его обмотке (рис. 3.23).

Как видно из характеристики, она обладает гистерезисностью, то есть срабатывание реле происходит при одном значении тока в катушке, а отпускание - при другом. Величины токов срабатывания и отпускания (Iсраб и Iотп соответственно) являются электрическими параметрами реле, а различное их значение объясняется разной величиной магнитного сопротивления магнитопровода при отпавшем и при притянутом положении якоря реле. Поэтому для уменьшения этой разницы между сердечником и якорем часто размещают немагнитную прокладку 6, а для возвращения якоря реле в исходное положение при отсутствии тока в катушке, реле оснащается специальной возвратной пружиной.

На большинстве электромагнитных реле устанавливается не одна, а несколько контактных групп, позволяя, тем самым, осуществлять управление разными электрическими цепями одновременно. Следует подчеркнуть, что для четкого и надежного срабатывания реле на его обмотку необходимо подавать напряжение, при котором ток в ней превышал бы ток срабатывания в 2…2,5 раза. Величина этого напряжения, называемого рабочим, и тока срабатывания реле, как правило, указывается в паспортных данных на каждый тип реле.



Изображенное на рис. 3.22.а электромагнитное реле называется нейтральным, т.к. его срабатывание не зависит от полярности подключенного к катушке напряжения и, следовательно, направления тока в ней. Для определения направления тока (полярности входного сигнала), проходящего по обмотке, применяют специальное поляризованное реле (рис. 3.24, а), в конструкции которого дополнительно используется постоянный магнит. При поступлении сигнала на обмотку такого реле происходит сравнение магнитного потока катушки, изображенного на рисунке, и магнитного потока постоянного магнита. Где эти потоки совпадают по направлению, якорь реле перемещается в эту сторону и замыкается соответствующая контактная группа. Подобные поляризованные реле обладают очень высокой чувствительностью, но существенным недостатком их является малая электрическая мощность, коммутируемая их контактами. Поэтому, чаще всего, сигналы с них используют для последующего управления более мощными электромагнитными реле или, вместо поляризованного реле, применяют специальную схему включения двух нейтральных электромагнитных реле требуемой мощности с выпрямительными диодами, изображенную на рис. 3.24, б.

Электромагнитные реле получили наиболее широкое применение в автоматических устройствах для самых различных целей, как в промышленности, так и в быту, благодаря своей универсальности использования. Они могут работать в качестве датчиков для контроля параметров электрических сетей, использоваться как усилители в различных коммутационных и распределительных аппаратах и быть исполнительными устройствами в системах сигнализации и защиты.

К недостаткам электромагнитных реле следует отнести их инерционность, обусловленную временнымми параметрами, и невысокую надёжность из-за наличия контактных групп и их преждевременного износа. Кроме этого, при коммутации контактов реле (по аналогии с контактными датчиками) создаётся высокий уровень электромагнитных помех.

Наличие временнымх параметров у электромагнитных реле обусловлено, главным образом, индуктивностью обмотки реле, в которой при подключении и отключении напряжения (при увеличении и уменьшении тока) возникает э.д.с. самоиндукции, которая направлена всегда навстречу изменению тока, проходящего по этой обмотке. На рис. 3.25 представлена эквивалентная схема катушки реле, где R - ее активное сопротивление, зависящее от длины и сечения провода, которым эта обмотка выполнена, а L - индуктивность, обусловленная количеством витков катушки и наличием магнитопровода в конструкции реле.

При подаче напряжения на вход такой цепи ключом В, по ней проходит ток i, который вызывает падение напряжения на активной составляющей этой цепи iR, а на индуктивности, согласно закону электромагнитной индукции, возникает э.д.с. самоиндукции eL = -Ldi/dt. По второму закону Кирхгофа можно записать уравнение равновесия электрической цепи U = iR-eL = iR + Ldi/dt и получить дифференциальное уравнение первого порядка, решая которое относительно тока получить следующее выражение .

В этом выражении 1 - постоянная времени обмотки реле при отпавшем якоре, зависящая от величины индуктивности катушки L1 при исходном положении якоря и активного сопротивления обмотки . При размыкании ключа В - э.д.с. самоиндукции направлена на поддержание тока в катушке и его зависимость от времени определяется выражением , где 2 постоянная времени катушки при притянутом якоре, равная , при этом L2 > L1.

На рис. 3.26 показана временнамя зависимость тока в обмотке реле при включении (t = 0) и выключении (t = t1) ключа В, из которой видно, что срабатывание реле происходит только при достижении тока в обмотке значения Iсраб, определяемое промежутком времени tсраб, а отпускание реле - через интервал tотп, когда ток в обмотке уменьшится до значения Iотп. Эти величины (tсраб и tотп) и являются временнымми параметрами реле, по которым электромагнитные реле подразделяются на:

- быстродействующие;

- нормальнодействующие;

- медленнодействующие.

Кроме перечисленных видов реле, находят применение и, так называемые, реле времени, параметры срабатывания и отпускания которых могут регулироваться в широких пределах.

Следует заметить, что временныме параметры электромагнитных реле широко использовались при создании первых логических схем для построения алгоритмов управления различными устройствами и механизмами, обеспечивая их работу в определённой последовательности. При этом необходимо было иметь возможность изменять и время срабатывания и время отпускания имеющихся в наличии типов электромагнитных реле. Путём подключения к обмоткам реле активных и реактивных элементов (например, конденсаторов), а также их различных комбинаций, можно в определённых пределах управлять временнымми параметрами.

В большинстве случаев обмотки мощных реле, работающие на постоянном токе, а обмотки электромагнитов тем более, шунтируются полупроводниковыми диодами во встречном, по отношению к питающему току, включении (рис. 3.27).

Это позволяет исключать повреждения и преждевременный выход из строя (за счёт возникающей, достаточно мощной электрической дуги) выключателей и других коммутационных изделий, с помощью которых производится подключение и особенно отключение обмоток этих электромагнитов и реле от источников питания. В этом случае диод, подключенный к обмотке, составляет вместе с ней контур, по которому и проходит довольно значительный по величине ток IL, возникающий за счёт э.д.с. самоиндукции, наводимой в катушке электромагнита или реле при их выключении.

Для исключения основного недостатка электромагнитных реле - наличия контактных групп, были разработаны схемы и конструкции бесконтактных реле. В первую очередь, на базе магнитных усилителей созданы, так называемые, БМР - бесконтактные магнитные реле, представляющие собой магнитные усилители с глубокой положительной обратной связью (см. рис. 3.14, б). Работу таких БМР можно пояснить графически по получаемой при этом характеристике, где за счёт глубокой положительной обратной связи наклон статической характеристики магнитного усилителя (её правой полуветви) удается изменить настолько (рис. 3.28), что одной величине входного параметра (тока управления) соответствуют два значения тока в нагрузке. Поэтому ток нагрузки изменяется скачком от своего минимального значения до максимального при достижении тока управления величины Iy1, и уменьшается от максимума до минимума при достижении тока управления значения Iy2. Тем самым статическая характеристика магнитного усилителя становится релейной.

В системах автоматики бесконтактные магнитные реле самых различных схем и модификаций получили очень широкое применение. Это однотактные и двухтактные, однообмоточные и многообмоточные БМР, имеющие несколько рабочих обмоток. Но основным практическим применением БМР было их использование в схемах ЭВМ второго поколения. При этом в качестве сердечников таких реле стали применяться новые материалы, такие как ферриты, представляющие собой металлокерамику с очень высоким значением µ, с прямоугольной петлёй гистерезиса и имеющие очень незначительные габариты и вес.

В дальнейших разработках компьютеров, как и во многих других цифровых устройствах, на смену ферриттранзисторным ячейкам пришли электронные бесконтактные реле на базе микроэлектроники. Основой этих реле является триггер - устройство, представляющее собой двухкаскадный усилитель на транзисторах с глубокой взаимной положительной обратной связью между каскадами (рис. 3.29).

Рис. 3.29. Двухкаскадный усилитель на транзисторах с глубокой взаимной положительной обратной связью

При подключении источника питания к такому триггеру, происходит мгновенное открывание одного из транзисторов, а за счёт положительной обратной связи аналогичное запирание другого транзистора. В этой схеме оба транзистора работают в, так называемом, ключевом режиме, когда каждый из них либо полностью открыт (по нему проходит максимально допустимый ток), либо закрыт (ток через него отсутствует). Для того чтобы перевести схему в обратное состояние, т.е. закрыть первый и открыть второй транзисторы, достаточно подать на вход схемы короткий электрический импульс соответствующей полярности, и оба транзистора будут находиться уже в этом состоянии до прихода на вход триггера следующего импульса. Таким образом, рассмотренный триггер имеет два устойчивых состояния, как и любое реле.

Подобные схемы, особенно при использовании высокочастотных транзисторов, обеспечивают значительно большее быстродействие по сравнению с другими релейными элементами. Именно поэтому на них строятся современные интегральные микросхемы и процессоры, широко применяемые в различных цифровых устройствах и компьютерах.

Однако, в системах управления электроприводами, особенно силовыми, до настоящего времени в основном используются именно электромагнитные устройства и реле, позволяющие коммутировать достаточно мощные электрические цепи (см. вторую часть настоящего учебного пособия).

Особое место среди контактных устройств занимают герконы (герметизированные контакты) (рис. 3.30), на основе которых строятся, так называемые, магнитоуправляемые реле. Герметизация контактов позволяет значительно повысить надежность их работы, т.к. это защищает контакты от вредного воздействия внешней среды.

Рис. 3.30. Устройство геркона и магнитоуправляемого реле

Контакты геркона 2 выполняются из ферромагнитного материала (пермаллоя), и они, таким образом, являются одновременно и магнитопроводом. Концы контактов 3 покрыты тонким слоем (2…10 мкм) хорошо проводящего металла (серебра, золота, родия), и всё это находится в стеклянном миниатюрном баллончике 1, оснащенном токоотводами 4, внутри которого создан вакуум (в некоторых герконах дополнительно используется газовое наполнение). Внешнее магнитное поле создается либо катушкой 5, внутри которой находится геркон (именно так устроены магнитоуправляемые реле), либо с помощью постоянного магнита, который может располагаться рядом с герконом. Под действием его магнитного поля контакты геркона замыкаются, обеспечивая тем самым прохождение через них магнитных силовых линий и, соответственно, электрического тока в цепи самих контактов. Выпускаются герконы и с переключающими контактами. Современные магнитоуправляемые реле оснащаются одновременно несколькими герметизированными контактными группами, и подобные реле и герконы особенно широко применяются в системах автоматической защиты. Быстродействие герконов и магнитоуправляемых реле значительно выше других электромагнитных устройств за счёт отсутствия подвижного якоря и благодаря ничтожно малой массе самих контактов.

3.4 Распределители

Распределитель - это коммутационное устройство, предназначенное для последовательного переключения во времени разных электрических цепей. Они предназначены для автоматического подключения к одному блоку управления нескольких управляемых объектов, которые должны включаться в определенной последовательности. Наиболее распространенными являются: электромагнитные, релейные и электронные распределители.

Электромагнитные распределители, часто называемые шаговыми искателями (рис. 3.31), были самыми первыми устройствами автоматики, которые нашли применение на первых АТС (автоматических телефонных станциях).

Принцип их работы аналогичен электромагнитному реле, но здесь электромагнитный привод от катушки с сердечником 1 через якорь 2 и толкатель 3 передается храповому колесу 4, управляющему подвижной щеткой 5. При этом щетка 5, выполняющая функции переключающего контакта, входит в поочередное соединение с рядом неподвижных контактов, расположенных на пути движения этой щетки. Количество неподвижных контактов 6 определяется числом управляемых объектов, а также конкретным типом используемого искателя. Стопорная пружина 7 исключает возможность обратного поворота храпового колеса и обеспечивает движение щетки только в одном направлении. Входным сигналом такого шагового искателя является электрический импульс постоянного тока, поступающий в катушку, а количество этих импульсов определяет номер того неподвижного контакта, который в данный момент необходим. Быстродействие подобных искателей довольно высокое и составляет до 60 шагов в секунду.

Релейные распределители строятся либо на поляризованных, либо на бесконтактных реле и представляют собой различные по содержанию логические устройства, с помощью которых составляются соответствующие алгоритмы управления несколькими объектами.

Электронными распределителями, в первую очередь, считаются электронно-лучевые, в которых осуществляется управление с помощью магнитного или электрического поля направленным движением потока электронов в вакууме. Такой распределитель представляет собой электронно-лучевую трубку, в которой вместо экрана используется контактное поле, состоящее из большого числа неподвижных контактов, а переключающим элементом является сам электронный луч (поток электронов). Управление этим лучом позволяет осуществлять соединение различных цепей, в отличие от шаговых искателей, в произвольной последовательности, необходимой в каждом конкретном случае.

Подобный метод распределения используется и в персональном компьютере, в котором оператор с помощью «мыши» воздействует на курсор экрана монитора или соответствующую клавишу панели управления на мониторе, производя необходимые ему переключения или действия. Кроме этого, к электронным распределителям относятся также отдельные микросхемы, построенные на базе рассмотренных выше триггеров, работающие в различных узлах современных компьютеров.

4. Элементы автоматики для передачи и приёма информации

Подобные элементы используются в тех случаях, когда необходимо осуществлять технологический контроль за работой какого-либо объекта автоматизации или управление этим объектом, если он располагается на значительном расстоянии от пункта контроля и управления. Для связи этого пункта с объектом автоматизации могут использоваться различные линии связи (ЛС), как проводные, так и беспроводные, то есть с использованием электромагнитного излучения, например, радиосвязи. Разработка подобных систем является прерогативой телемеханики, поэтому в настоящем учебном пособии будут рассмотрены лишь два наиболее распространенных способа передачи информации на расстояние.

Первый способ основан на использовании специальных элементов автоматики, чаще всего индукционных, запитанных от одной сети переменного тока. Такой способ применим только с проводной линией связи, и он рассчитан для передачи данных на небольшие расстояния (до 1000 м), то есть в пределах этой питающей сети. Чаще всего используются два индукционных датчика, например, сельсимны (рис.2.20), которые могут работать в двух основных режимах: индикаторном и трансформаторном.

...