Усилители и генераторы промышленных роботов

Опубликовано admin Апр 20, 2013 в Роботетхника

Усилители электрических сигналов являются основным узлом радиоэлектронной аппаратуры. В каждом радиоприемнике, магнитофоне, телевизоре, вычислительной машине имеются усилители различных типов. В основе их классификации лежит частота усиливаемых сигналов. В схемах промышленных роботов применяются усилители постоянного тока (УПТ), предназначенные для усиления медленно меняющихся сигналов датчиков. В промышленных схемах используются сложные многокаскадные усилители, включающие в себя сотни и даже тысячи транзисторов. Изготавливать и налаживать подобные усилители, состоящие из отдельных радиоэлементов, довольно трудно, требуются большие затраты времени квалифицированных рабочих-радиомонтажников, наладчиков радиоэлектронной аппаратуры и инженеров-электронщиков.

Большое распространение получили универсальные усилители, используемые в различных устройствах для усиления как постоянных, так и переменных сигналов. Эти усилители производят с помощью интегральной технологии, когда составные части электронной схемы —транзисторы, диоды и резисторы (конденсаторы используются редко) изготавливают в одном кристалле полупроводника в виде р—п -переходов. Такие усилительные устройства называются полупроводниковыми интегральными микросхемами, они отличаются малыми габаритами, большой экономичностью (малым потреблением энергии) и большой надежностью.

Наиболее распространенным типом универсального усилителя является операционный усилитель. Он обозначается так же, как обычный усилитель, только в прямоугольнике дополнительно ставится знак. Свое название усилитель получил потому, что первоначально он был предназначен для выполнения различных математических операций: сложения, вычитания, умножения и др. В настоящее время операционные усилители изготавливаются только в интегральном исполнении и широко используются как для усиления, так и для получения (генерирования) электрических сигналов, например, в бытовых радиоприемниках, магнитофонах, телевизорах, в школьных осциллографах и др.

Операционный усилитель имеет два входа, один из которых называют прямым или неинвертирующим, а другой — инвертирующим. На схемах входы помечаются соответственно знаками «+» и «—».

Если на прямой вход подать напряжение, то на выходе будет усиленное напряжение того же знака. При подаче этого же напряжения на инвертирующий вход получим такое же усиленное напряжение противоположного знака. Например, если напряжение +0,001 В поочередно подать на входы операционного усилителя, то при коэффициенте усиления 5000 на выходе получим величины напряжения ±5 В.

Если одно и то же напряжение подать на оба входа одновременно, то выходное напряжение станет равным нулю, точнее, оно будет близко к нулю. Если с выхода подать напряжение отрицательной обратной связи на инвертирующий вход, то произойдет частичное подавление выходного сигнала, в результате чего коэффициент усиления уменьшится. Регулирование напряжения отрицательной обратной связи осуществляется с помощью резисторов RI и R2 делителя напряжения. Чем больше сопротивление резистора, тем меньшее напряжение подается на инвертирующий вход и, следовательно, меньше меняется коэффициент усиления.

Наличие двух входов в операционном усилителе позволяет использовать его в качестве сравнивающего устройства — компаратора (от английского слова compare — сравнивать). На один из входов компаратора подается эталонная величина напряжения, а на другой — меняющаяся. В момент, когда величины напряжений сравняются, величина выходного напряжения становится равной нулю. Компаратор работает подобно высокочувствительным лабораторным весам—двум входам соответствуют две чаши весов, эталонному напряжению — гиря, а нулевой выходной сигнал в момент совпадения напряжений можно сравнить с нулевым положением стрелки весов. Приведенная аналогия поможет понять поведение компаратора при большом коэффициенте усиления усилителя, сравнимом с чувствительностью весов. Нулевой сигнал на выходе компаратора возможен только при совпадении величин напряжения на входах, это состояние неустойчиво, так как достаточно незначительны их расхождения, чтобы выходное напряжение приняло максимальное значение ±IJ. Точно так же ведут себя чувствительные весы, чашки которых обычно быстро переходят из одного крайнего положения в другое при незначительном «перевесе» или «недовесе».

Компараторы используются в схемах автоматического управления роботов для сравнения напряжений, заданных программой работ, с напряжениями, поступающими от датчиков, следящих за работой различных устройств.

Питание операционного усилителя осуществляется от двух одинаковых, соединенных последовательно источников тока GB1 и GB2, средняя (нулевая) точка которых используется для снятия величины выходного напряжения.

Интегральные микросхемы выпускаются сериями, которые характеризуются одинаковым конструктивным исполнением, имеют одинаковую величину напряжения питания и другие электрические характеристики, необходимые для их совместной работы.

Маркировка интегральных микросхем представляет собой сложный буквенно-цифровой код. Перед условным обозначением микросхем, предназначенных для широкого применения в бытовой и промышленной аппаратуре, ставится буква К. Дальше идут три цифры, обозначающие номер серии, например 140. За ними ставятся буквы, показывающие назначение микросхемы, например УД — операционные и дифференциальные усилители. После букв стоит цифра, показывающая номер разработки микросхемы данного типа, например микросхемы К140УД1, К140УД5, К140УД6 и т. д. Иногда последним элементом маркировки является буква, обозначающая различия в электрических характеристиках микросхем одной и той же серии. (Это относится к используемой нами в практической работе микросхеме К140УД1Б.)

Электрические характеристики интегральных микросхем, как и любых полупроводниковых приборов, зависят от температуры.