Магнитные усилители

Общие сведения.Ферромагнитные материалы, применяемые в электроаппаратостроении, обладают ярко выраженной нелинейной зависимостью электромагнитной индукции и магнитной проницае­мости от напряженности магнитного поля (рис. 111). Эта зави­симость использована в усилителе электрических сигналов, Действие которого основано на

нелинейности характеристик ферро­магнитных материалов.

Основным показателем качества ферромагнитного материала сердечника является его петля гистерезиса — способность материа­ла сохранять остаточную магнитную индукцию при уменьшении напряженности до нуля (рис. 11.2).

Петля гистерезиса определяет следующие четыре основные ха­рактеристики магнитной цепи усилителя:

В_s —магнитная индукция насыщения. За этой точкой индукция уже не возрастает с увеличением напряженности поля Н, а зна­чение магнитной проницаемости μ становится равной единице (т.е. магнитной проницаемости воздуха);

В_R — остаточная магнитная яндукция. Когда напряженность уменьшается до нуля от точек В_s, поток уменьшатся не до нуля, а до ±В_R. Остаточная намагниченность сохраняется беско­нечно долго, практически до нового воздействия магнитного поля. Это качество обусловливает наличие «памяти» у магнитных мате­риалов;

К_uB_r/B_s — коэффициент прямоугольности. Для магнитных уси­лителей желательно значение, близкое к единице, так как уве­личивается линейная часть характеристики;

Н_с — коэрцитивная сила. Это значение напряженности магнит­ного поля, необходимое для того, чтобы магнитная индукция из­менилась от — B_R до нуля.

Дроссельный магнитный усилитель

Магнитным усилителем называют электрический аппарат, в кото­ром для усиления сигнала используется управляемое; индуктив­ное сопротивление.

Дроссельный магнитный усилитель представляет собой замкну­тый магнитопровод, имеющий две обмотки: рабочую ω_р (переменого тока), включенную в цепь нагрузки R_н, и обмотку управления ω_у, на кото­рую подается управляющий ток i_y (рис. 11.3).

При прохождении переменного тока по обмотке ω_р на обмотку ω_у, наводится ЭДС, которая создает пе­ременный ток в цепи управления. Для ограничения этого тока в цепь управления вклю­чается балластное сопротивление — дроссель х_б.

При отсутствии тока управления (цепь управления разомкну­та) индуктивное сопротивление обмотки ω_р равно

, (11.1)

где S —активное сечение магнитопровода; — число витков ра­бочей обмотки; l — длина средней линии магнитопровода.

Из выражения (11.1) следует, что при постоянных конструк­тивных параметрах S, ,l индуктивность определяется магнит­ной проницаемостью . Если ток управления отсутствует, то сер­дечник работает на линейной характеристике (в ненасыщенной зоне). В этой зоне магнитная проницаемость велика и индуктивное сопротивление усилителя также велико и равно

.

Сопротивление нагрузки R_н обычно очень мало по сравнению с индуктивным сопротивлением обмотки , поэтому токв рабочей обмотке определяется индуктивным сопротивлением усилителя и мал по значению.

При плавном увеличении тока управления i_у ток в нагрузке также плавно увеличивается от i_н до i_макс за счет уменьшения магнитной проницаемости μ.

При максимальном токе управленияi_у материал сердечника насыщается и магнитная проницаемость резко уменьшается. Индуктивное сопротивление рабочей обмотки также резко уменьшается, что ведет к уменьшению полного сопротив­ления цепи и возрастанию тока в нагрузке. Значения Х_р и R_H выбираются таким обра­зом, чтобы соблюдалось условие Х_р<< R_H. Тогда ток в цепи определяется сопротивле­нием самой нагрузки. При этом все напря­жение источника питания приложено к со­противлению нагрузки. Характеристика управления магнитного усилителя приведе­на на рис. 11.4. По оси абсцисс отложен ток управления. В линейной зоне характеристики соблюдается равенство средних значений магнитодвижущих сил обмоток i_p= i_у.

Дроссельные магнитные усилители применяются редко из-за большой массы и низких значений коэффициентов усиления.

Однотактные магнитные усилители

Однотактный (однополупериодный) магнитный усилитель имеет лучшие по сравнению с дроссельным МУ характеристики за счет дополнительного магнитного потока, образованного в результате работы выпрямителя, включенного последовательно с R_н (рис. 11.5). Из-за наличия дополнительного магнитного потока такой тип усилителя часто называют магнитным усилителем с самона­сыщением.

Наличие выпрямителя В в цепи рабочей обмотки (обмотка усилителя, последовательно с которой включена нагрузка R_н) приводит к тому, что напряжение питания

U приложено к этой обмотке и к нагрузке лишь в течение проводящего для выпрями­теля полупериода.

Изменение индукции в сердечнике в этот полупериод проис­ходит только под действием напряжения питания U в соответствии с законом электромагнитной индукции. В следующий полупериод изменение индукции в сердечнике происходит только под дейст­вием управляющего напряжения U_y, приложенного к обмотке управления. Этот полупериод называется управляющим. Для того чтобы воспрепятствовать трансформации напряжения из рабочей цепи в цепь управления, в последнюю включают дроссель Др.

Изменение индукции в рабочем и управляющем полупериодах происходит во взаимообратных направлениях. Обычно напряже­ние питания МУ выбирают таким, чтобы за время, равное полу­периоду питающего напряжения, оно изменяло бы индукцию в сердечнике на ΔВ=2В_S, например, из точки — В_S до + В_S . Управ­ляющее напряжение изменяет индукцию в обратном направлении, т. е. от + В_S к — В_S, причем значение этого изменения пропорцио­нально значению сигнала. Если к началу рабочего полупериода исходная рабочая точка, характеризующая магнитное состояние сердечника, окажется не в

точке — В_S, а выше — на петле гистерезиса, то в рабочем полупериоде сердечник по закону электромагнитной индукции насытится не в конце периода, несколько раньше. После этого напряжение питания оказывается полностью приложенным к сопротивлению нагрузки, а ток в нагрузке скачком возрастает до . Чем больше управляющее напряжение, тем ниже по петле гистерезиса опускается рабочая точка в управляющий полупериод. В результате в рабочий полупериод сердечник насытится позднее и к нагрузке будет приложено меньшее напряжение. ПриU_у.макс по нагрузке в течение всего рабочего полупериода протекает только намагничивающий ток. Следовательно, в течение всего рабочего полупериода ток в нагрузке будет следовать за изменением напряжения.

Диаграммы изменения индукции В в сердечнике, тока нагруз­ки i_н, тока в обмотке управления i_y во времени (рис. 11.6) харак­теризуют работу магнитного усилителя.

Таким образом, основной особенностью однотактного МУ яв­ляется режим его работы — усилитель работает на нагрузку в течение только одного рабочего полупериода.

Схемы однотактных магнитных усилителей послужили прото­типом для построения современных МУ (рис. 11.7, 11.8). Рабочие полупериоды двух сердечников в этих схемах сдвинуты друг относительно друга на половину периода питающего напряжения.

Обмотки управления двух сердечников соединены между собой так, чтобы в цепь управ­ления не наводилось питаю­щее напряжение. Если в однотактном МУ ток в цепи нагруз­ки появляется лишь в тече­ние одного из полупериодов питающего напряжения, то в двухтактном — в течение каж­дого полупериода питающего напряжения.

В то время как один из сердечников находится в ра­бочем полупериоде и ток i_p может протекать через его рабочую обмотку и через нагруз­ку, один из диодов блокирует рабочую обмотку другого сер­дечника и для него имеет место управляющий полупериод, т. е. индукция изменяется под действием входного сигнала. В следу­ющем полупериоде сердечники меняются ролями.

В схемах МУ с самонасыщением при отсутствии управляющего сигнала бывает необходимо получить незначительный ток в на­грузке, поэтому в МУ предусматривается смещение или началь­ное подмагничивание, что равноценно включению дополнительного управляющего напряжения.

Чем больше напряжение смещения, тем ниже по петле гисте­резиса переместится рабочая точка. В том случае, когда на вход МУ подается сигнал управления, перемещение рабочей точки в управляющий полупериод определяется суммой напряженностей, создаваемых сигналами управления и смещения (если эти сигналы совпадают), и разностью (если действие сигналов противопо­ложно).

Введение начального подмагничивания позволяет перемещать статическую характеристику усилителя вдоль оси абсцисс в зави­симости от значения тока смещения (рис. 11.9). Как очевидно при изменении тока смещенияi_CM ток на вы­ходе усилителя при отсутствии управляющего сигнала i_y может принимать любые значения от i_н.макс до i_н.мин. Смещения, как правило, осуществляются дополнительными обмотками , , питаемыми выпрямленным напря­жением от общего источника питания (см. рис. 11.7).

В МУ с самонасыщением по рабочим об­моткам усилителя наряду с переменной суще­ствует и постоянная составляющая напряже­ния, которая дополнительно подмагничивает сердечники. Такие усилители называют так­же МУ с внутренней обратной связью.

Поле обратной связи может быть также создано и путем подачи тока нагрузки в специальную обмотку обратной связи (см. рис. 11.8). Такая связь называется внешней обратной связью.

Двухтактные магнитные усилители

Двухтактным магнитным усилителем называется усилитель, об­ладающий статической характеристикой, при которой измене­ние полярности управляющего сигнала вызывает изменение поляр­ности выходного напряжения или изменение фазы выходного напряжения на 180° (рис. 11.10). Двухтактные МУ выполняются путем соединения двух однотактных усилителей по дифференциальной схеме (рис. 11.11). Оба усилителя питаются от одного трансформа­тораТр с двумя одинаковыми вторичными обмотками. Токи смещения , по­ступающие в обмотки, создают началь­ное подмагничивающее поле. Переменное сопротивление R_см служит для установки нуля усилителя при отсутствии сигнала на его входе. Ток i_y поступает в обмотки и создает магнитное поле, совпадающее по направлению с полем смещения в одной паре сердечников и имеющее противо­положное направление в другой паре. Поэ­тому ток на входе одного усилителя растет, а ток на выходе другого усилителя уменьшается. Благода­ря тому что в нагрузке эти токи вычитаются, на выходе усилителя появляется ток нагрузки При отсутствии сигнала на выходе ток нагрузки равен нулю. При изменении полярности управляющего сигнала ток на выходе первого усилителя начинает уменьшаться, а у второго — возрастать. При этом результирующий ток изменяет свою фазу на 180°.

Современные магнитные усилители имеют целый ряд положи­тельных качеств: высокую надежность работы и значительный ре­сурс; возможность питания от сети переменного тока; усиление сигналов постоянного тока; постоянную готовность к работе, возможность

суммирования на входе нескольких управляющих сиг­налов; пожаро- и взрывобезопасность. К недостаткам МУ отно­сятся значительная инерционность и низкая полоса пропускания верхних частот.

Магнитные усилители нашли широкое применение в схемах управления электроприводов от нескольких до сотен киловатт.