Автоматизация производства Лекция №5. Усилители, стабилизаторы, переключающие устройства. Назначение, виды, общее устройство

Лекция №5. Усилители, стабилизаторы, переключающие устройства.

Назначение, виды, общее устройство

Усилитель

Усилитель — элемент системы управления (или регистрации и контроля), который повышает мощность сигнала за счет внешнего источника питания.

Термин усилитель в своём первичном (основном) значении относится к преобразованию (увеличению, усилению) одной из характеристик исходного входного сигнала (будь то механическое движение, колебания звуковых частот, давление жидкости или поток света), при этом вид сигнала остаётся неизменным (остаётся механическим движением и т. д.; из одного вида в другой сигнал преобразуют датчики и устройства управления).

В то лее время, термин «усилитель» не вполне корректно, но традиционно употребляется для устройств управления мощными электрическими нагрузками, например, «релейный усилитель» и «магнитный усилитель».

Типы усилителей

• Активный усилитель — усиление сигнала осуществляется за счёт энергии внешнего источника: в сервоприводах (как то: гидро-, электро-, гшевмоусилители) усиливается исходное механическое двюкение (как правило, оператора), за счёт внешней энергии. В электрических усилителях увеличивается амплитуда исходного сигнала (по напряжению и силе тока), в фотоумножителях — усиливается интенсивность исходного светового потока. В активных усилителях часто используется обратная связь: положительная — для повышения чувствительности, и отрицательная — для улучшения точности/стабилыюсти.

• Пассивный усилитель — усиление одной (необходимой) характеристики сигнала осуществляется за счёт уменьшения других характеристик: например, домкрат (а также тисы, ручная таль, рычаг) является усилителем — движения (силы) руки — за счёт скорости (эта характеристика сигнала уменьшается). Мухобойка, теннисная ракетка — для сравнения — являются усилителями скорост и (за счёт уменьшения силы и/или времени воздействия).

• Резонаторы и экраны — виды пассивных усилителей, применяемых для усиления периодических (гармонических) колебаний в приёмниках и передатчиках звуковых и радиоволн (происходит усиление рабочей полосы в выбранном направлении за счёт уменьшения общей полосы и других направлений приёма/излучепия).

• Зеркала и линзы — аналогично предыдущему, для оптики, происходит усиление для выбранного участка (угла) наблюдения/освещения, в ущерб остальным (участкам, углам). Сюда относятся все оптические системы от лупы до телескопа.

• Системы с накоплением энергии — виды пассивных усилителей, в которых большую часть времени происходит только накопление энергии сигнала (подаваемой относительно равномерно), и меньшую часть времени (чаще — импульсно) — отдачу накопленного и усиленного сигнала па выходе: молоток, преодоление крутой горки автомобилем «с разгона», система зажигания (катушка зажигания) бензиновых двигателей, рубиновые лазеры, гидротаранный насос.

Смежные понятия

• Увеличитель — практически полный синоним слова «усилитель», однако чаще употребляется для устройств, увеличивающих линейные размеры сигнала, что характерно для оптики (фотоувеличитель, увеличительное стекло). Устоявшиеся термины: «увеличитель сцепного веса», «увеличитель крутящего момента»

• Ускоритель — устройство, увеличивающее скорость совершения процесса или движения частиц.

• Умножитель — вид усилителя, в котором увеличение характеристики сигнала происходит в кратное число раз (соответственно числу ступеней). Примеры: умножитель напряжения, умножитель частоты, фотоэлектронный умножитель.

Электронный усилитель

Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках.

Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры — радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т. д.

Усилитель звуковых частот

Усилитель звуковых частот (УЗВ), усилитель низких частот (УНЧ), усилиттель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) – прибор (электронный усилитель) для усилингия электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот (обычно от 16 до 20 000 Г’ц, в специальных случаях — до 200 кГц). Может быть выполнен в виде самостоятельного устройства, или использоваться в составе более сложных устройств — телевизоров, музыкальных центров, радиоприёмников, радиопередатчиков, радиотрансляционной сети и т. д.

Операционный усилитель

Операционный усилитель — (ОУ, ОрАтр) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Измерительный усилитель (средство измерений)

Измерительный усилитель (средство измерений) — электронный усилитель, применяемый в процессе измерений и обеспечивающий точную передачу электрического сигнала в заданном масштабе.

Измерительный усилитель

Измерительный усилитель (иначе инструментальный усилитель, электрометрический вычитатель) — это тип дифференциального усилителя с характеристиками, подходящими для использования в измерениях и тестирующем оборудовании. Такие характеристики включают: очень малое смещение постоянного тока, малый дрейф, малый шум, очень высокий коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи, очень высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала, и очень высокие входные сопротивления. Такие усилители применяются, когда требуются большая точность и высокая стабильность схемы, как кратковременно, так и долговременно.

Гидравлический усилитель

Следящий гидропривод — эго регулируемый гидропривод, в котором закон движения выходного звена (вала гидромотора или штока (в некоторых случаях корпуса) гидроцилиндра) изменяется в зависимости от управляющего воздействия. Как правило к функциям слежения в следящем гидроприводе добавляются функции усиления управляющего сигнала по мощности. Поэтому синонимом термина следящий гидропривод считается термин гидравлический усилитель.

Магнитный усилитель

Магнитный усилитель — это статический аппарат, предназначенный для управления величиной переменного тока посредством слабого постоянного тока. Применяется в схемах автоматического регулирования электродвигателей переменного тока. Основное назначение — управление силовым электроприводом (распространены в строительной технике), также применялись в бытовых стабилизаторах переменного тока, в регуляторах освещения киноконцертных залов, в двоичной ЭВМ ЛЭМ-1 Л. И. Гутенмахера и в троичных ЭВМ «Сетунь (компьютер)» и «Сетунь-70» Н. П. Брусенцов а также в цепях управления тепловоза. По-прежнему магнитные усилители используются в системах, измеряющих постоянные токи от тензодатчиков. Гибридные схемы, сочетающие в себе миниатюрный магнитный усилитель с полупроводниковым, легко решают проблему дрейфа нуля и обладают высокой точностью.

Релейный усилитель

Реле исторически появилось как усилитель сигнала (напряжения) в телеграфной связи, где на протяжённых линиях связи сигнал ослабевал и промежуточные реле восстанавливали (усиливали) сигнал (напряжение) для следующего участка линии. Сигнал был дискретным (включено - выключено), соответственно, и реле использовалось в качестве дискретного усилителя.

В настоящее время непосредственно для усиления сигналов реле практически не используется, а применяется для разгрузки контактов, многоконтактного переключения и гальванической развязки электроцепей, то есть, как устройство управления и защиты.

Вероятно, по аналогии с реле, устройства управления (силовой) нагрузкой, которые ничего не усиливают, также традиционно называют усилителями, к примеру, магнитный усилитель.

Существуют также оптические усилители и электромеханические усилители.

Стабилизатор

Стабилизатор— в общем случае предназначен для предотвращения изменения параметров под действием дестабилизирующих факторов:

• В математике: стабилизатор множества по действию группы.

• В электротехнике:

• электрический стабилизатор

• стабилизатор напряжения

• стабилизатор тока

• В оптике: стабилизатор — система оптической стабилизации изображения.

• Для стабилизации движения в жидкой или газообразной среде:

• В судостроении стабилизатором называется одна из горизонтальных плоскостей, которая обеспечивает устойчивость судна при качке. Приводится в действие при помощи бортовых гироскопов.

• В стрелах для стрельбы из лука: оперение стрелы.

• В авиации стабилизатором называется одна из горизонтальных плоскостей, которая обеспечивает устойчивость самолёта.

• Авиационные бомбы: стабилизатор бомбы.

• В ракетостроении стабилизаторами называются плоскости или решётки, обеспечивающие устойчивость полёта ракет.

• Транспорте:

• В автомобилях: Стабилизатор поперечной устойчивости — устройство в подвеске, обеспечивающее подавление боковых кренов в поворотах.

• В вооружениях: Стабилизатор вооружения— система автоматического регулирования, обеспечивающая сохранение заданного направления вооружения и приборов наблюдения при колебаниях корпуса боевой машины во время движения.

• В химии и в кулинарии: стабилизатор — это компонент (добавка), который уменьшает изменения физических или химических свойств веществ при хранении или применении.

• В дорожном строительстве: стабилизатор грунта — вещество, добавляемое в компоненты основания дорожной одежды для улучшения их физико-механических характеристик.

• Один из химических компонентов большинства составов порохов и других ВВ.

• В клавиатурах: скоба в длинных клавишах

Переключающее устройство

Переключающее устройство устанавливается на блоках предохранительных клапанов.
Предохранительные клапаны относятся к трубопроводной арматуре и используются для предотвращения недопустимо высокого давления в емкостях, аппаратах и других соответствующих
установках. Принцип их действия основан на том, что клапан обеспечивает выпуск избытка среды.
Блок таких клапанов обычно представляет собой два соединенных между собой предохранительных клапана. Переключающее устройство позволяет отключить один из предохранительных клапанов и одновременно подключить другой. В результате направление потока транспортируемой среды изменяется без необходимости прерывания рабочего процесса.

Конструкция переключающего устройства

Переключающее устройство состоит из корпуса, от которого отходят два выходных и один входной каналы. Два выходных канала подсоединяются непосредственно к предохранительным клапанам, а по входному каналу осуществляется подача рабочей среды. Рабочий орган изделия представляет собой два соосно-расположенных седла, между которыми помещен затвор, выполненный из нескольких последовательно взаимодействующих клапанов. Затвор приводится в движение за счет толчка штока, подсоединенного к кинематическому приводу. Таким образом, когда привод приводят в действие, шток изменяет положение затвора двухстороннего действия, при этом рабочий орган одного из предохранительных клапанов полностью перекрывается, в то время как рабочий орган второго клапана переводится в открытое положение. Соответственно, рабочая среда начинает подаваться в открытый клапан.

Также встречается конструкция переключающего устройства, в котором в качестве затвора
служит золотник, который перемещается от одного седла к другому за счет вращения маховика. В
таком случае предохранительные клапаны подсоединяются к двум переключающим устройствам,
которые располагаются друг под другом. Каждое такое устройство оснащено двумя седлами и

золотником. Оба переключающих устройства соединены цепной передачей, позволяющей одновременное управление их рабочими органами.

Оба типа устройств имеют определенные недостатки: в первом случае отсутствует возможность замены предохранительного клапана в блоке, а во втором при перекрытии рабочего органа трудно достигнуть полной герметичности, что объясняется изначальными свойствами конструкции золотника, так как золотник не прилегает к седлу полностью. Кроме того, цепная передача со временем ослабляется, что приводит к тому, что одно из переключающих устройств теряет свою герметичность. Тем не менее, конструкции, в которых эту проблему пытались решить, так и не вошли в широкое употребление. В настоящий момент широко используются две вышеприведенные конструкции с классом герметичности «А», то есть, без видимых протечек.

Сфера применения переключающего устройства

Серийно выпускаемые переключающие устройства предназначены для установки на трубопроводах, транспортирующих воду, пар, газообразные среды, нефтепродукты, а также аммиак при температурах от -60 до 425 °С.

3