вход Вход Регистрация



Термин «операционный усилитель» относится к усилителям постоянного тока с достаточно большим коэффициентом усиления, имеющим дифференциальный вход (два входных вывода) и один общий выход. Они бывают трехкаскадные (дифференциальный усилитель, усилитель напряжения и усилитель мощности) и двухкаскадные (усилитель напряжения и усилитель мощности). Все они выполнены по мостовой (т.е. дифференциальной) схеме, а отличие дифференциального каскада (ДУ) от усилителя напряжения (УН) в их режимах работы: соответственно микроамперной и милиамперный режимы.

 

Название этих усилителей связано первоначальным их применением; главным образом для выполнения различных операций над аналоговыми величинами (сложение, вычитание, интегрирование и др.). Однако благодаря достижениям в области микроэлектроники и широкому выпуску операционных усилителей в интегральном исполнении открылись их более широкие схемотехнические возможности. В настоящее время операционные усилители (ОУ) играют роль многоцелевых элементов при построении аппаратуры самого различного назначения. Они применяются в усилительной технике, устройствах генерации сигналов синусоидальной и импульсной форм, в стабилизаторах напряжения, активных фильтрах и т.д.

Идеальный ОУ обладает следующими параметрами:

– коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности (КU→∞);

– входное сопротивление стремится к бесконечности (Rвх→0);

– выходное сопротивление стремится к нулю (Rвых→0);

– если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение также равно нулю (Uвх=0 → Uвых=0);

– бесконечная полоса усиливаемых частот(fв = ∞).

Основу ОУ составляет дифференциальный каскад, применяемый в качестве входного каскада усилителя. Выходным каскадом ОУ обычно служит эмиттерный повторитель (ЭП), обеспечивающий требуемую нагрузочную способность всей схемы. Поскольку коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя близок к единице, необходимое значение KU ОУ операционного усилителя достигается с помощью дополнительных усилительных каскадов, включаемых дифференциальным каскадом и ЭП. В зависимости от количества каскадов, используемых для получения требуемого значения KU ОУ. В трехкаскадных ОУ входной дифференциальный каскад обычно выполняют с резистивными нагрузками, а в двухкаскадных – с динамическими нагрузками. Помимо этого, операционные усилители могут содержать вспомогательные транзисторные каскады и элементы, предназначенные, например, для сдвига уровней напряжения в тракте усиления, создания источников стабильного тока, отрицательных обратных связей по синфазным ошибкам усиления и т.д.

Схема простейшего трехкаскадного ОУ приведена на рис. 3.1 (микросхема 140УД1).

 

Рисунок 3.1 – Принципиальная схема операционного усилителя (а)

и его условно-графическое обозначение (б)

 

Один из входов усилителя (Uвх н, «+») называется неинвертирующим, а второй (Uвх н, «–») – инвертирующим. При подаче сигнала на неинвертирующий вход приращения выходного сигнала совпадает по знаку (фазе) с приращением входного сигнала. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак (противоположный по фазе) по сравнению с приращением входного сигнала. Инвертирующий вход часто используют для введения в операционный усилитель отрицательных внешних обратных связей.

Рассмотрим работу этой схемы.

Если под действием входных сигналов (показанных на рис. 3.1 в виде полуволн) напряжение на коллекторе транзистора Т6 увеличится (положительная полуволна), то увеличатся также токи Iб , Iэ транзистора Т7. Это приводит к увеличению токов Iб, Iэ транзистора Т9. Напряжение на резисторе R12 повышается, что уменьшается напряжение Uбэ и токи Iб, Iк транзистора Т8. Ввиду возрастания тока Iэ транзистора Т7 и уменьшения тока Iк транзистора Т8 потенциалы базы и эмиттеры транзистора Т9 относительно шины –Ек2 становятся больше +Ек. На выходе усилителя создается напряжение положительной полярности Uвых>0 (на рис. 3.1. показана без скобок).

При снижении напряжения на коллекторе транзистора Т6 токи транзисторов Т7, Т9 уменьшаются, а токи транзистора Т8 увеличиваются. Это приводит к уменьшению потенциалов базы и эмиттера транзистора Т9 относительно шины –Ек2, на выходе усилителя будет действовать напряжение отрицательной полярности Uвых<0 (показана в скобках).

Очевидно, максимальное выходное напряжение Uвых max отрицательной полярности будет близко к –Ек2 = –Ек, а максимальное напряжение положительной полярности U+вых max – к +Ек1 = +Ек.

Достоинства ОУ:

1. Большой коэффициент усиления (105 раз);

2. Большой Rвх (до ГОм);

3. Малое Rвых (до 2÷6 Ом);

4. Большая полоса пропускания (fн = 0, fв сотни и тысячи МГц);

5. Отсутствие паразитных входных и выходных токов;

6. Постоянство амплитуды выходного напряжения;

7. Отсутствие статических, дрейфовых и шумовых ошибок во времени и диапазоне температур;

8. Возможность последовательно включать неограниченное количество ОУ;

9. Низкая себестоимость.

 

Случайные новости

Укрепление конструкций

Укрепление конструкций основано на создании в конструкции напряжений, обратных по знаку рабочим напряжениям. Применяют два таких укрепления: упругое и пластическое.

Упругое укрепление заключается в том, что системе заведомо прибавляют деформации, противоположные деформациям при рабочей погрузке. Такие укрепления применяют преимущественно в строительных конструкциях.

При пластических укреплениях участки материала, наиболее нагруженные в рабочем состоянии, заранее подвергают пластической деформации, создавая в них остаточные напряжения, противоположные рабочим по знаку.

Различают следующие виды пластического укрепления:

1)укрепление перегрузкам — действие на деталь повышенной силы того же напрямую, что и рабочая, При снятии нагрузки в поверхностных пластах детали, возникают напряжения, противоположные по знаку, который возник в результате действия повышенной силы. Тогда при приложенные нагрузки остаточные напряжения будут противодействовать, тем что возникают от рабочего нагрузки, и деталь можно нагрузить существенным образом большей силой. Такой метод применяется для стальных балок, толстостенных сосудов, артиллерийских стволов;

2) укрепление уплотнением — уплотнение поверхностного пласта металла на глубину 0,2...0, 8 мм и создание в нем благоприятных для прочности напряжений сжатия;

3) - объемное уплотнение - глубокое сжатие участков детали, которые подвергают испытанию при рабочей нагрузке напряжения растягивания;

4) - термическое укрепление — возникновение при неравномерном нагреве в горячих участках детали напряжения сжатия, а у холодных -напряжения растягивания. При достаточно больших температурных перепадах появляются местные пластические деформации, которые можно использовать для укрепления.

Классическим примером этого образа укрепления есть шпренгельные балки (рис. 2.4, а).

В систему вводят тензоры — стрежни из высокопрочного материала. Натаскивая стрежни, в балке создают предыдущие напряжения (рис. 2.4, ) на стороне, ближайшей к стрежням - напряжение сжатия (-), а на противоположной стороне - напряжение растягивания (+). Приложение рабочего нагрузки Роаб вызывает напряжение обратного знака (рис. 2.4, в).

Составление предыдущих и рабочих напряжений существенным образом уменьшает конечные напряжения в балке (рис. 2.4, г)

 

Рисунок 2.7. Образа упругого укрепления конструкций.

Освоено производство заранее напряженных балок. В полке, противоположное действия нагрузки (рис. 2.4, д), закладывают стрежни из высокопрочного провода, заранее напряженное механически или термически (нагревом). Такие балки можно без нарушения натяжения резать на куски произвольной длины.

В конструкции на рис. 2.4, е к нижней полке прикрепленная заранее напряженная накладка из высокопрочной листовой стали. К стальным балкам накладки приваривают, к балкам из легких сплавов - приклепывают.

Другой пример упругого укрепления - скрепление резервуаров, выполненных из легких сплавов путем наматывания стального провода (или ленты) в один или несколько рядов (рис. 2.5, а, бы, в). При наматывании в стенках сосуды создаются напряжения сжатия (г), которые, отнимаясь из напряжений растягивания, которые возникают под действием внутренней давки (д), значительно уменьшают конечные напряжения в стенках сосуды (е).

При известных соотношениях, напряжения в стенках сосуды под рабочей нагрузкой могут быть уровне нулю или даже сохранять негативный знак.

В качестве укрепляющих элементы применяют холоднонатянутый провод и прутки, а также холоднокатаную ленту, которые владеют значительно высшей прочностью, чем массивные горячекатаные профили.

 

 

 

Рисунок 2.8. Образа упругого укрепления резервуаров.

 

Укрепление перегрузкам. Укрепление перегрузкам состоит в действии на деталь повышенной силы того же напрямую, что и рабочая, что вызывает пластические деформации наиболее напряженных участков.

При изгибе бруса поперечной силой Р (рис. 2.6, а) в верхних волокнах материала возникают напряжения сжатия, а у нижних — растягивания.

Подвергнем брус действия довольно большой силы Р, что вызывает пластические деформации крайних волокон (рис. 2.6, б). Верхние волокна укорачиваются, а нижние - удлиняются. Центральные волокна остаются в состоянии упругой деформации. После снятия укрепляющей нагрузка сердцевина, поворачиваясь в начальное состояние, растягивает краткие верхние волокна и сжимает растянутые нижние волокна, вызывая в них напряжения, обратные по знаку рабочим напряжениям; в сердцевине возникают реактивные напряжения (рис. 2.6, в).

Если напряженный таким образом брус подвергнуть действию рабочего нагрузки Рроб (рис. 2.6, г), то остаточное и рабочее напряжения алгебрично составляются. Результирующие напряжения в крайних волокнах оказываются существенным образом меньшим за напряжения, которые возникают в брусе, не подвергнутому укреплению (рис. 2.6, д). Итак, не переходя допустимой границы напряжений, можно нагрузить брус значительно большей силой.

 

Рисунок 2.9. Механические напряжения при пластическому

укреплении

 

Метод перегрузки применяют также для укрепления стрежней, которые работают на кручение. Стрежень подвергают действию повышенного крутящого момента М, что вызывает в крайних волокнах сечений стрежня пластические деформации сдвига.

После снятия нагрузки упругая сердцевина стрежня расправляется захватывая за собой пластично деформированные волокна и вызывая в них напряжения, обратные по знаку напряжениям сдвига от рабочего нагрузки.

Если теперь приложить к стрежню рабочий что крутящий момент Мраб, то статическое напряжения составляются с рабочими, снижая результирующие напряжения. На этом принципе основано укрепления спиральных пружин путем стеснеения (выдержка пружины под повышенной осевой нагрузкой).

Укрепление перегрузкам заотносительно только для материалов, которые владеют достаточной пластичностью. В крохких материалах перенапряжения может вызвать в растянутых пластах микротрещены и надрывы, которые выводят деталь из порядка. Поэтому величину пластической деформации ограничивают, допуская перенапряжение не выше 1,1-1.20.

Нужно учитывать, что всякий вид перенапряжения укрепляет материал только против действия нагрузки одного направления при действия нагрузки противоположного направления.

Таким образом, этот образ возможно применить применимый при нагрузках постоянного направления, пульсирующих, а также знакопеременных с преобладанием нагрузки одного направления (асимметрические циклы).

Всякая система, которая находится под действием нагрузок постоянного направления и изготовленная из достаточно пластического материала, владеет к определенной мере свойством самоукрепления. Временное повышение рабочего нагрузки к величины, которое вызывает воздержанные пластические деформации, укрепляет систему. Если же деталь подвергает испытанию сменные нагрузки, то переход за границу текучести под действием нагрузки одного направления ослабляет материал против действия нагрузки противоположного направления. Положительной стороной метода перегрузки есть то, что при нем выборочно укрепляются наиболее напряженные участки.

 

Объемное уплотнение состоит в глубоком обжимании участков детали, которые подвергают испытанию при рабочей нагрузке напряжения растягивания. Деталь подвергают обжиманию на стадии заготовки в холодном или полупластичном состоянии (теплая деформация).

Примеры объемного укрепления показаны на рис. 2.7, а, бы, в(обжатые зоны зачернены).

Балки укрепляют прокаткам полок, фасонные детали - обжиманием наиболее напряженных на растягивание элементов; плоские детали опресовыванием из торцов; детали типа колец — эксцентричным раскатывание. /

Рисунок 2.10. Примеры объемного уплотнения

 

© 2019
  • Сайт "Литературка"
  • мы собираем различную техническую, образовательную, научную литратуру