§ 22.2. Принцип действия магнитного усилителя

Для изучения принципа действия магнитного усилителя рассмотрим его простейшую схему (рис. 22.4, а, б), состоящую из двух обмоток. Одна обмотка — рабочая (или обмотка переменно-

го тока) с числом витков , другая — обмотка управления (или управляющая) с числом витков . Обе обмотки размещены на общем ферромагнитном замкнутом сердечнике. На обмотку управления подается входной сигнал в виде напряжения постоянного тока или тока , подлежащего усилению. Последовательно с рабочей обмоткой включена нагрузка , напряжение на которой является выходным сигналом усилителя. Цепь рабочей обмотки получает питание от источника напряжения переменного тока (например, промышленной частоты 50 Гц). Сердечник одновременно намагничивается двумя полями: постоянным, созданным током , протекающим в обмотке , и переменным, созданным током , протекающим в обмотке . Если принять сопротивление рабочей обмотки чисто индуктивным , а форму тока — близкой к синусоидальной, то ток в нагрузке

Так как , то

(22.4)

где —угловая частота питающего напряжения ; —индуктивность рабочей обмотки.

Напряженность магнитного поля в сердечнике создается именно током . Так как мы приняли допущение о синусоидальности тока, то и напряженность будет изменяться по синусоидальному закону. Амплитудное значение напряженности

(22.5)

где —средняя длина пути магнитного потока в сердечнике. Выразим из уравнения (22.4) индуктивность рабочей обмотки:

Подставим сюда значение из уравнения (22.2)

и значение из уравнения (22.5):

где —динамическая (или действующая) магнитная проницаемость материала сердечника для переменной составляющей магнитного поля:

(22.7)

Так как с увеличением постоянной составляющей индукции В₀ амплитуда индукции остается неизменной, а растет (см.рис. 22.3), то, согласно формулам (22.6) и (22.7), проницаемость сердечника и индуктивность рабочей обмотки уменьшаются подмагничивании сердечника постоянным магнитным полем. Характер зависимости и от напряженности постоянного поля при показан на рис. 22.5. определяется током в обмотке управления:

(22.8)

Из формул (22.4) и (22.6) следует, что при неизменном напряжении сети ток в цепи нагрузки может быть увеличен только за счет уменьшения магнитной проницаемости для переменной составляющей магнитного поля, так как остальные параметры ( ; ; ; ; ) не изменяются. Уменьшение магнитной проницаемости достигается за счет увеличения постоянного подмагничивающего поля в сердечнике, создаваемого управляющим током в соответствии с уравнением (22.8).

При изменении тока нагрузки будет изменяться и падение напряжения на нагрузке , т. е. выходной сигнал. Мощность, выделяемая в нагрузке, может во много раз превышать мощность, расходуемую в управляющей обмотке, т. е. схема обладает усилительными свойствами и ее можно рассматривать как простейший магнитный усилитель. Такой усилитель называют еще дроссельным, поскольку изменение тока в нагрузке обеспечивается за счет изменения индуктивности рабочей обмотки, т. е. сопротивления дросселя — катушки с сердечником (рис. 22.6).

Рассмотренная схема по рис. 22.4 имеет серьезные недостатки и крайне редко применяется на практике. Дело в том, что замыкающийся по сердечнику переменный магнитный поток наводит в обмотке управления (как во вторичной обмотке трансформатора) переменную ЭДС. Поэтому выходной сигнал может влиять на входной. А усилители должны обладать однонаправленностью действия: только от входа к выходу. Для уменьшения значения переменного тока, протекающего по цепи управления под влиянием наведенной ЭДС, последовательно с управляющей обмоткой включают большую индуктивность . Однако при этом увеличивается инерционность усилителя: при быстрых изменениях входного напряжения ток управления изменяется медленно. Кроме того, увеличивается расход материала (так как необходим сердечник и для дросселя), возрастают габариты и вес усилителя. Другим недостатком рассмотренной схемы является то, что форма тока в нагрузке существенно отличается от синусоиды, что видно по кривой 2' на рис. 22.3.

Для уничтожения ЭДС, наводимой в обмотке управления, ис-

пользуются схемы магнитных усилителей с двумя одинаковыми сердечниками (рис. 22.7, а, б). Такие схемы составлены из схем по рис. 22.4 как из типовых элементов, что особенно хорошо видно на рис. 22.7, а. Рабочая обмотка и обмотка управления имеют по две секции — по одной на каждом сердечнике. Секции управляющей обмотки соединяются последовательно и встречно; следовательно, происходит взаимное вычитание ЭДС, индуцируемых в каждой секции. Поскольку сердечники и соответствующие обмотки на них одинаковы, происходит взаимное уничтожение (компенсация) ЭДС, наведенных переменным магнитным полем. Секции рабочей обмотки включены последовательно и согласно. В один полупериод питающего переменного напряжения переменный магнитный поток складывается с постоянным

магнитным потоком в одном сердечнике и вычитается в другом сердечнике. В следующем полупериоде сердечники меняются ролями. Таким образом, совместное действие на цепь нагрузки обеих секций рабочих обмоток в каждый из полупериодов совершенно одинаково. Обе полуволны нагрузки будут симметричны (без четных гармоник), т. е. форма кривой тока будет менее искажена, чем в схеме с одним сердечником (см. рис. 22.3).