Читайте также:
|
К лабораторной работе "Усилители системы автоматики" для студентов неэлектрических специальностей очной и заочной форм обучения.
Тюмень –2006
Утверждено редакционно-издательским советом Тюменского государственного нефтегазового университета.
Составители: ст. преподаватель В.И.Смирнов
ст. преподаватель И.А.Каменских ст. преподаватель В.В.Козлов
Тюменский государственный нефтегазовый университет 2006
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
УСИЛИТЕЛИ СИСТЕМЫ АВТОМАТИКИ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить устройство, принцип действия, применение тиристорных и операционных усилителей в системах автоматики. Снять статические характеристики и определить коэффициенты усиления усилителей.
1 Краткие теоретические сведения об усилителях.
В системах автоматики усилители увеличивают мощность входного сигнала, так как сигналы датчиков, как правило, имеют мощность недостаточную, чтобы привести в действие исполнительный механизм или не могут передаваться на расстояние от объекта управления. Поэтому, почти всегда в системе автоматики необходимо усиление сигнала.
Усилителем называется устройство для преобразования маломощного входного сигнала в более мощный выходной сигнал за счет энергии постороннего источника питания. В зависимости от вида энергии вспомогательного источника усилители делятся на электрические, гидравлические, пневматические и комбинированные.
Основным видом усилителей систем автоматики являются электрические, которые в зависимости от физического принципа, положенного в основу процесса усиления, могут быть электронными, магнитными, электромеханическими и другими.
К электромеханическим усилителям относятся электромашинные усилители и электромагнитные реле. Электромашинные усилители (ЭМУ) сейчас применяются редко, так как появление мощных тиристоров, способных переключать токи до нескольких тысяч ампер, позволяет создавать более совершенные усилители с выходной мощностью до десятков киловатт. ЭМУ - это электрическая машина постоянного тока, которая имеет специальные обмотки управления и приводится в действие двигателем переменного тока. Недостатками такого усилителя является наличие трущихся контактов, большие габариты, невысокий КПД. Электромагнитные реле, несмотря на сравнительно невысокие надежность, долговечность и ограниченное быстродействие, в ряде случаев успешно конкурируют с транзисторными и тиристорными усилителями.
В Электромагнитных реле электрический сигнал преобразуется в перемещение якоря электромагнита, которое вызывает замыкание и размыкание контактов. Электромагнитные реле можно рассматривать как один из видов усилителей, так как мощность сигнала, необходимого для срабатывания реле, существенно меньше мощности, которой управляют контакты реле. Магнитные усилители (МУ) представляют собой устройство, состоящее из ферромагнитного сердечника и обмоток. Принцип действия МУ основан на нелинейном характере кривой намагничивания материала сердечника: В=F(Н).
В настоящей лабораторной работе рассматриваются электронные усилители в которых используются тиристоры и полупроводниковые операционные усилители.
Тиристоры - это полупроводниковые малогабаритные приборы. Они имеют четырехслойную р-п-р-п- структуру, моментом их включения можно управлять вспомогательным импульсом тока, который подается на управляющий электрод и открывает р-п-переход, прилегающий к катоду. После открывания тиристора все три его перехода смещаются в прямом направлении и он пропускает прямой ток. Ток нагрузки протекая через тиристор, создает такую большую концентрацию носителей заряда, что управляющие свойства тиристора теряются. При спадании тока нагрузки до нуля тиристор запирается и управляющие свойства восстанавливаются. Вольт-амперная характеристика тиристора (рис.1.1) при небольших прямых токах Iпр имеет несколько ветвей, соответствующих различным токам управления IУ. Чем больше ток управляющего электрода, тем меньше напряжение включения тиристора UB. Если к аноду тиристора прикладывается переменное напряжение с амплитудой, меньшей UВ max, то включение тиристора будет происходить лишь в момент подачи импульса тока на управляющий электрод. Для включения требуется, чтобы амплитуда импульса была достаточной для снижения напряжения включения UВ до величины, меньшей, чем напряжение анод-катод тиристора U a. Выключение тиристора возможно лишь при снижении тока анода Iпр до величины, меньшей тока отключения, который настолько мал по сравнению с прямым током тиристора, что его почти всегда считают равным нулю.
В схеме, содержащей источник питания Е, тиристор VS и резистор R (рис.1.2) возможны два устойчивых состояния, одно из которых соответствует открытому, а второе закрытому тиристору. Часть характеристики от нуля до точки А соответствует прямому току отключенного тиристора, а участок характеристики от точки А до точки Б соответствует прямому току открытого тиристора. Повышение напряжения источника от нуля до Е вызывает при IУ =0 перемещение рабочей точки по нижней ветви характеристики до точки А. Если теперь подать управляющий импульс тока с амплитудой IУ1 и с длительностью, достаточной для поддержания этого тока на время открывания тиристора, то рабочая точка перейдет скачком в положение Б, соответствующее открытому тиристору.
Спад открывающего импульса тока в цепи управления не оказывает влияния на процессы в открытом тиристоре, его рабочая точка остается в положении Б. Восстановление управляющих свойств тиристора произойдет лишь при его обесточивший на время, большее времени его закрывания.
В открытом состоянии тиристор способен пропускать очень большие токи (до нескольких сот ампер). Тиристоры используются в усилителях мощности, управляемых выпрямителях, для коммутации больших токов.
Для усиления слаботочных сигналов используются операционные усилители. Операционные усилители (ОУ) используются в схемах усилителей сигналов датчиков технологического оборудования, а так же в схемах преобразования входных и выходных сигналов систем автоматики.
Операционным усилителем принято называть интегральный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, с помощью которого можно строить узлы аппаратуры с параметрами, зависящими только от свойств цепи отрицательной обратной связи.
Основным параметром, характеризующим любой усилитель, является коэффициент усиления. Эта величина определяется как отношение выходного сигнала к входному.
K=Y(t)/X(t) (1)
где Х(t) - входной сигнал. Y(t) - выходной сигнал0000.
В зависимости от вида цепи ОС различают инвертирующее и не-инвертирующее ОУ. Фаза выходного сигнала инвертирующего усилителя (рис.2.1) сдвинута на 180 градусов относительно фазы входного сигнала. Коэффициент передачи К этой схемы в идеальном случае определяется по формуле:
K=Roc/R1 (2)
Инвертирующее включение - основа большинства схем обработки сигналов. На базе этой схемы строятся дифференциальные усилители постоянного тока, мостовые усилители, аналоговые интеграторы, дифференциальные схемы, усилители переменного тока, стабилизаторы напряжения, а также схемы логарифмических усилителей, мультивибраторов. С помощью логарифмических усилителей, в свою очередь можно построить устройства умножения, деления, возведения в квадрат.
Неинвертирующее включение ОУ (рис.2.2) применяется в тех случаях, когда необходимо согласовывать маломощный источник сигнала, обладающий большим внутренним сопротивлением с низкоомной нагрузкой. В этой схеме фаза выходного сигнала повторяет фазу входного. Коэффициент передачи идеального ОУ в неинвертирующем включении определяется по формуле:
K=1+ Roc/Rв (3)
Неинвертирующее включение - базовая схема масштабных усилителей напряжения. Сравнительно низкое допустимое значение напряжения на входе и цепях питания, малые мощности сигналов на выходе сдерживают применение ОУ в электротехнической аппаратуре, цепях электропривода и управления электродвигателями, схемах дистанционного управления и т.д.
Кроме коэффициента усиления, усилители характеризуются чувствительностью, динамическими свойствами, величинами выходных и входных сопротивлений, коэффициентом полезного действия. Рис.1 Вольт амперная характеоистика теристора (1) и схема включения тиристора (2)
|
Рис. 2 Основные методы включения DУ инвертирующие (1) и неинвертирующей (2)
|
2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
2.1. Исследование работы тиристорного усилителя в статических режимах Схема тиристорного усилителя представлена на рис.3. Регулирование анодного тока,а значит и мощности нагрузки, достигается путем изменения угла регулирования - а. В схеме реализован фазовый способ управления тиристором. Сущность способа состоит в том, что при изменении величины сопротивления резистора в цепи управления тиристора изменяется фаза вектора напряжения на емкости С1. Этим достигается изменение момента времени открывания тиристора по отношению к моменту перехода через нуль переменного напряжения приложенного к тиристору. Это очевидно из следующих рассуждений. Для контура, образованного питающей сетью, резисторами R1, R2 и емкостью С1 справедливо уравнение:
U=UC1+Ur (4)
Где- Uc1-вектор напряжения на емкости С1: Ur=Ic*(R1+R2)-вектор напряжения на сопротивлении резисторов.
Ток, протекающий через конденсатор С1
Ic=U/Z (5)
Где – Z=(R1+R2)+1/jw*С1- комплексное сопротивление последовательной цепи R1, R2. С1.
Фазовый угол на который ток Ic опережает напряжение сети определяется из выражения
Φ=-arctg1/2Πf*(R1+R2) C1 (6)
|
Напряжение на емкости U с отстает от IС на угол 900, а напряжение на Ur совпадает по фазе с током Iс. Векторная диаграмма изображена на Рис.4
Рис 3 Схема принципиальная элекрическая тиристорного усилителя мощности.
|
Рис.4 Векторная диаграмма токов и напряжений цепи R1 R2,C1
Из векторной диаграммы очевидно, что угол α, на который отстает вектор Uc от вектора U равен:
α=900- φ (7)
Из выражения (6) следует, что изменяя величину R1 можно изменить величину угла φ, а значит и угол α.
При положительном полупериоде напряжения на емкости С1, диод VD1 пропускает ток, который является током цепи управления IУ тиристора. Следовательно, изменяя угол регулирования α можно регулировать ток в нагрузке от 0 до максимально допустимого значения.
2.2. Порядок выполнения лабораторной работы
1. Собрать схему тиристорного усилителя, изображенную на рис.3,
2. Подать напряжение питания (включить тумблер SА2, расположенный на
лабораторном стенде).
3. Потенциометром R1 плавно изменять ток управления IУ от 0 до 100 мА. Черезкаждые 10 мА увеличения IУ регистрировать ток Iн и напряжение Uн нагрузки.
4. Результаты измерений занести в таблицу 1.
Таблица 1 Результаты снятия статической характеристики тиристорного усилителя
| IУ,,мА | |||||||||||
| IУ,А | |||||||||||
| UН,В |
5. По результатам измерений построить графики IН=f(IУ) и UН= f(IУ)
Обяснить полученные результаты.
2.3. Исследование схем операционных усилителей
1.Собрать схему инвертирующего включения ОУ согласно рис.5.
2.Подать напряжение питания (с помощью тумблера SА1,
расположенного на стенде).
3.Потенциометр R2 установить в 0 положение, а с помощью R12
установить-нуль по шкале вольтметра РУ2.
4.Включить в цепь обратной связи сопротивление R6 = 1к0м, ручкой
потенциометра R2 плавно изменять входное напряжение ОУ от О до
10 В и записывать показания вольтметра RV2 на выходе ОУ через
каждые 1В увеличения напряжения на входе усилителя.
Регистрировать значения входного напряжения с помощью вольтметра
РV1.
5.Проделать аналогичный опыт при сопротивлении в цепи обратной связи R7 =10кОм и R8 - 100 кОм. Увеличивать входное напряжение следует при этом через каждые 0.1В и 0.01В, соответственно.
6.Результаты измерений занести в таблицу 2. Определить коэффициент усиления К при различных значениях Rос.
7.Выключить тумблер SА1.
8.Собрать схему неинвертирующего включения ОУ, согласно рис.6.
| 9.Подать напряжение питания, включив тумблер SА1, и повторить пункты 3,4,5,6,7 для этой схемы включения ОУ. |
10.Построить графики Uвых =f(Uвх) для различных схем включения ОУ при различных Rос
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
• цель лабораторной работы;
• краткое описание принципа работы тиристорного усилителя мощности
и усилителей, собранных на операционных усилителях; I
• схемы включений усилителей для лабораторных испытаний;
• таблицы экспериментальных данных;
• графики статических характеристик усилителей;
• краткие выводы о проделанной работе.
Результаты снятия статичес ких характеристик операционных усилителей. Табл. 2
|
3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Объяснить устройство тиристора и нарисовать его вольт-амперную
характеристику.
2. Виды тиристоров и их обозначение.
-
3. Объяснить принцип действия простейшего тиристорного усилителя.
4. Какие достоинства и недостатки тиристорных усилителей вы можете отметить?
5. Приведите примеры применения тиристорных усилителей в технике.
6. Что называется операционным усилителем?
7. Объяснить основные схемы включения ОУ и их практическое использование.
8. Какие достоинства и недостатки имеют операционные усилители.
9. Привести примеры использования операционных усилителей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Коновалов Л. Элементы и системы автоматики.- М: Высшая школа, 1985.
2. Зимин Е.Н. Электроприводы постоянного тока с вентильными
преобразователями. М..-Энергоиздат, 1981.
3. Алексеенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем.
М.:Радио и связь, 1985.
4. Котлярский А.И. и др.Промышленная электроника. М.: Недра, 1984.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторной работе "Усилители системы автоматики" для студентов неэлектрических
специальностей очной и заочной форм обучения
Составители: В.И.Смирнов, И.А.Каменских, В.В.Козлов.
Дата добавления: 2015-07-25; просмотров: 75 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Глава 9 | | | З А Я В А |