ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. УСИЛИТЕЛИ СИГНАЛОВ
4-1. ОБЩИЕ СВОЙСТВА УСИЛИТЕЛЕЙ
Мощность сигнала, вырабатываемого датчиком измерительного устройства или чувствительным элементом, во многих системах недостаточна для приведения в действие исполнительного устройства. Необходимость усиления сигналов в автоматических системах повсеместна, причем чем более жесткие требования предъявляются к замкнутой системе, тем выше должен быть коэффициент усиления.
В понятие усиления сигнала в теории автоматического управления вкладывается различный смысл. Различают усиление по мощности, напряжению, току, перемещению, давлению и т. д.
Усилением по мощности называют процесс преобразования сигнала, при котором мощность сигнала на выходе выше мощности входного сигнала.
Как уже ранее указывалось, входной и выходной сигналы характеризуются соответственно входными и выходными величинами. Для электрических сигналов такими величинами являются напряжения или токи, для механических — перемещения, давления и т. д.
Усилением по напряжению, току, перемещению и т. д. называют преобразование сигнала, при котором выходные величины, имеющие ту же размерность, что и указанные входные, превышают последние в некоторое число раз. Усиление по напряжению, току, перемещению в одних устройствах сопровождается усилением по мощности, а в других, наоборот, происходит при уменьшении мощности сигнала. Первый тип устройства потребляет энергию от дополнительного источника питания и относится к активным преобразователям. Устройства второго типа являются пассивными. Эти устройства мы не будем относить к классу усилителей.
Таким образом, усилителем будем называть устройство, осуществляющее преобразование сигнала с усилением по мощности и имеющее входные и выходные величины одинаковой физической природы.
Уточнение, касающееся одинаковой физической природы входной и выходной величин, необходимо в целях разграничения понятий датчика, усилителя и сервомотора. В самом деле, например, в потенциометричееком датчике часто также происходит усиление сигнала управления по мощности и от усилителя это устройство отличает лишь разная размерность входной (перемещение) и выходной (напряжение) величин.
Усилители, так же как и датчики, имеют цепь подвода энергии, цепь управления и выходную цепь. В общем случае усилитель является многополюсником, чаще всего шестиполюсником. Однако в практических задачах обычно оказывается возможным пренебречь зависимостью процессов в одной из цепей от процессов в двух других цепях, что позволяет рассматривать усилитель как четырехполюсник. Усилители, так же как датчики, делятся на параметрические и генераторные.
Основой параметрического усилителя служит нелинейный элемент, позволяющий управлять процессами в цепях питания и нагрузки посредством сигнала, который по мощности меньше сигнала на выходе. В пределах малых отклонений управление посредством нелинейного элемента приближенно можно рассматривать как изменение параметров цепи питания и нагрузки посредством управляющего сигнала. Отсюда и название «параметрические» усилители. В электронных усилителях нелинейными элементами служат электронные лампы, в полупроводниковых усилителях — кристаллические триоды, в магнитных усилителях—дроссели насыщения, в диэлектрических усилителях—конденсаторы с нелинейной характеристикой диэлектрика, в тиратронных усилителях — тиратроны. Все эти усилители являются параметрическими
В генераторных усилителях вид энергии питания отличен от вида энергии выходного и управляющего сигналов. Преобразование энергии питания в энергию выходного сигнала управляется входным сигналом. Характерным примером генераторного усилителя может служить электромашинный усилитель, в котором механическая энергия привода преобразуется в электрический сигнал. Другим примером генераторного усилителя может служить фотоэлектрический усилитель. В фотоэлектрическом усилителе световая энергия преобразуется в электрический выходной сигнал, а управление этим преобразованием осуществляется посредством поворота зеркала гальванометра, на который поступает электрический управляющий сигнал.
Следует отметить, что деление усилителей на параметрические и генераторные производится по принципу действия, но не по способам получения и описания их характеристик. В частности, при изучении схем с параметрическими усилителями бывает удобно пользоваться эквивалентными схемами, в которых параметрический усилитель заменен генераторным с определенными параметрами.
К числу основных характеристик усилителей систем автоматического управления относятся: зависимости выходных величин от входных, динамические свойства, коэффициент усиления по мощности, максимальная мощность на выходе, сопротивления со стороны входа и выхода, уровень собственных шумов, к. п. д. (для выходных каскадов).
