В.А. Старовойтов Однотактный (нереверсивный) магнитный усилитель

1

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1. Изучение принципа действия и конструкции однотактного магнитного усилителя (МУ).

1.2. Исследование влияния обратной связи и смещения на статические характеристики МУ.

1.3. Определение коэффициентов усиления по характеристикам

МУ.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1. Изучение настоящих методических указаний и устройства стенда.

2.2.Получение данных для построения статической характеристики МУ без включения обратной связи и смещения.

2.3.Получение данных для построения статической характеристики МУ со смещением.

2.4.Получение данных для построения обратной характеристики с внешней обратной связью (без смещения).

2.5.Получение данных для построения статической характеристики с обратной связью со смещением.

2.6.Обработка результатов, построение статических характеристик и подготовка отчета.

3.УКАЗАНИЯ К ОТЧЕТУ

Отчет должен содержать наименование и цель работы с обозначением фамилий исполнителей. Кроме того должны быть представлены принципиальная электрическая схема стенда, экспериментальные данные, сведенные в таблицы, и графические изображения статических характеристик IH = f(Iу), называемых также нагрузочными характеристиками.

4. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Магнитный усилитель (МУ) представляет собой усилительнопреобразовательное устройство параметрического типа, поскольку принцип его работы основан на использовании свойства дросселя пе-

2

ременного тока с ферромагнитным сердечником изменять свою индуктивность при подмагничивании постоянным током [1, с 179; 2, с. 75].

Наряду с усилением МУ производит одновременное преобразование сигнала постоянного тока, являющегося входным сигналом, в сигнал переменного тока.

Рассмотрим принцип действия простейшего дроссельного МУ (рис. 1), состоящего из ферромагнитного сердечника с двумя обмотками: обмоткой управления Wу, на которую подается подлежащий усилению сигнал по-

стоянного тока, и выходной обмоткой W~ , питаемой переменным напряжением U~ через сопротивление нагрузки RH.

Величина переменного тока в выходной цепи при условии, что активное сопротивление выходной обмотки значительно меньше сопротивления нагрузки, определяется как

где ω - частота напряжения питания, L - индуктивность обмотки W~. Покажем теперь, что индуктивность дросселя L является функци-

ей входного сигнала

L = f(Iy).

Для этого воспользуемся семейством характеристик (рис. 2 а), отражающих связь между переменной составляющей индукции в сердечнике дросселя В~ и напряженностью магнитного поля, создаваемого как переменным током в обмотке W~ , так и постоянным током в обмотке Wу. Магнитная проницаемость для переменной составляющей

3

Рис. 2

Индукция В~ определяется напряжением питания U~, остается неизменной при увеличении тока подмагничивания Iу, а напряженность поля с ростом управляющего сигнала Iу возрастает. Следовательно, магнитная проницаемость и связанная ней прямо пропорциональной зависимостью индуктивность дросселя L будут уменьшаться при увеличении входного сигнала (рис. 2 б). Тогда, пользуясь уравнением связи

где W~ число витков выходной обмотки; S - площадь поперечного се-

чения магнитопровода, м2; ! - длина магнитопровода, м, и соотношением (1) можно получить статическую характеристику магнитного усилителя IH = f(Iy), определяющую зависимость выходного тока усилителя от тока управления (рис.3).

Следует отметить, что изменение индуктивного сопротивления xL будет вызывать необходимое изменение тока нагрузки IH в том случае, когда это сопротивление значительно больше сопротивления нагрузки RH. Действительно, только при этом условии выходной ток будет определяться в основ-

ном индуктивным сопротивлением дросселя.

4

Пренебрегая током холостого хода I0 ввиду его малости можно аппроксимировать статическую характеристику реального магнитного усилителя некоторой линейной функцией (см. рис. 3), соответствующей статической характеристике идеального магнитного усилителя, сердечник которого выполнен из ферромагнитного материала с прямо угольной кривой намагничивания.

Степень усилия входного сигнала в магнитных усилителях оценивают при помощи коэффициентов усиления по току, напряжению и мощности, значения которых для участка статической характеристики равны:

Приведенные коэффициенты усиления можно выразить через параметры магнитного усилителя, заменив идеальную статическую характеристику IH = f(Iy) характеристикой типа IH W~ = f(IyWy), отличающейся от исходной только масштабами по осям абсцисс и ординат [1, c. 182].

Рассмотренная схема простейшего магнитного усилителя (рис. 1) не нашла применения на практике, поскольку она имеет ряд существенных недостатков:

вследствие взаимоиндукции происходит трансформация переменного напряжения в цепь управления, что искажает входной сигнал и ухудшает работу усилителя;

усилитель, являясь однотактным, не реагирует на знак входного сигнала;

наличие тока холостого хода отрицательно сказывается на работе системы, так как может привести к ложному срабатыванию некоторых ее элементов при отсутствии сигнала на входе;

коэффициенты усиления магнитного усилителя, собранного по такой схеме, сравнительно малы.

5

Некоторые из перечисленных недостатков можно устранить посредством определенных изменений схем включения, а также самой конструкции усилителя.

Так, для исключения ЭДС, трансформируемой в обмотке управления, применяют схему магнитного усилителя на двух сердечниках (рис. 4, а). Здесь обмотка управления и выходная обмотка состоят каждая из двух секций, магнитный поток Ф~ индуктирует равные ЭДС в секциях обмотки управления. Однако, поскольку секции Wу включены встречно, индуктируемые ЭДС будут направлены навстречу друг другу, а следовательно, будут взаимо уничтожаться. Еще более рациональной является конструкция, выполненная на Ш-образном сердечнике (рис. 4 б), в которой обмотка управления размещается на среднем стержне, а выходные обмотки располагаются на крайних стержнях, причем их секции включаются встречно. Это приводит к тому, что переменные магнитные потоки, создаваемые каждой секцией W~ в среднем сердечнике направлены навстречу друг другу и полностью компенсируется ввиду их равенства и ЭДС в обмотке управления не индуктируется.

Рис. 4

Конструктивно однотактные магнитные усилители (рис. 4 б) могут быть собраны как на Ш-образных, так и на торидальных сердечниках [3]. Недостатком конструкции магнитных усилителей на Ш- образных сердечниках является то, что переменный магнитный поток замыкается через крайние стержни, не попадая в средний (рис. 4 б), следовательно, объем среднего стержня не участвует активно в процес-

6

се усиления. Для устранения этого явления применяют расчленение сердечника на две половины вдоль продольной оси, а обмотки накладывают таким образом, чтобы через средние сердечники проходили также и переменные потоки (рис. 5 а), способствующие устранению искажающего гистерезисного эффекта, особенно сказывающегося при усилении слабых сигналов. Кроме того, в конструкциях с Ш-образным сердечником наличие потоков рассеяния из-за повышенного магнитного сопротивления в местах стыка пластин создает возможность наведения внешними полями ЭДС и тока помех в обмотке управления, которые в высокочувствительных усилителях могут превзойти полезный сигнал. В связи с этим маломощные магнитные усилители высокой чувствительности изготавливаются с магнитопроводом из двух одинаковых тороидальных пакетов (рис. 5 б ) Выходные обмотки Wy наматываются на каждый пакет, обмотка управления на оба пакета, сложенные вместе. Такой усилитель будет не чувствителен к внешним магнитным полям, так как вследствие осевой симметрии тороидов потоки рассеяния будут отсутствовать.

Рис. 5

Для увеличения коэффициента усиления МУ применяются положительные обратные связи (ОС) [1, с. 193]. Любые из них (внешние, внутренние и смешанные) предполагают наличие специальной дополнительной обмотки, конструктивно расположенной там, где и обмотка управления. Чтобы обратная связь была положительной, необходимо

7

выбрать направление тока в обмотке обратной связи (WОС) IОС, определяемое схемой включения выпрямителя, таким, которое бы приводило

ксозданию напряженности поля в сердечнике, совпадающей с напряженностью, получаемой от сигнала управления. Поскольку направле-

ние тока IОС остается неизменным, ОС будет положительной только при одной полярности тока управления.

Введение обратной связи, например внешней (рис. 6 а), приводит

кизменению статической характеристики, состоящему в том, что для одной половины статической характеристики крутизна линейного участка возрастает, а для другой - снижается (рис. 6 б). Следует отметить, что на рис 6 а МУ изображен не в виде конструктивной схемы, а в соответствии с принятым изображением для принципиальных схем. При

введении положительной ОС помимо усиления МУ, по току в правой части характеристики в I/(I - ki . kОС) раз увеличивается ее нелинейность и возрастает ток холостого хода I0, что является нежелательным.

Рис. 6

Для уменьшения тока холостого хода в этом случае, равно как и в других, можно применить смещение, которое состоит в том, что в МУ вводится еще одна дополнительная обмотка (обмотка смещения) WСМ, располагаемая там же, где и обмотка управления (рис. 7 а).

8

Схема однотактного магнитного усилителя с обмоткой положительной обратной связи и обмоткой смещения приведена на рис. 7,а. Обмотка смещения питается от отдельной сети постоянного тока. Сила тока в цепи обмотки смещения IСМ может изменяться переменным сопротивлением RCM. Отличительной особенностью такого магнитного усилителя является также то, что МУ имеет общие обмотки управления, обратной связи и смещения для обоих сердечников магнитного усилителя. Семейство нагрузочных характеристик МУ для различных значений тока смещения IСМ представлено на рис. 7 б.

Рис. 7

Если магнитный поток, создаваемый обмоткой смещения, увеличивает подмагничивающий поток от обмоток управления и положительной обратной связи, то нагрузочная характеристика МУ смещается влево от оси ординат. При изменении направления тока в обмотке смещения создаваемый им поток уменьшает подмагничивание сердечников, и нагрузочная характеристика МУ смещается вправо, уменьшая силу тока холостого хода усилителя.

Статические характеристики IH = f(Iy) магнитного усилителя при значениях коэффициента положительной обратной связи kОС = 0 и kОС > 0 изображены на рис. 6 б. При kОС > 1 наступает режим, характе-

9

ристика которого при наличии смещения показана на рис. 8 а. При Iy ≥ Iy1 магнитный усилитель имеет устойчивое состояние 6 с током нагрузки IH max, а при Iy ≥ Iy2 - устойчивое состояние 7 с током нагрузки I0. Работа усилителя в релейном режиме эквивалентна работе поляризованного реле с устойчивыми состояниями в точках 5, 6, 1, 7 и неустойчивыми состояниями в точках 2, 3, 4.

Если на обмотку управления подать дополнительное постоянное смещение Iy ≥ Iy1 , то характеристика смещается вправо (рис. 8 б) и магнитный усилитель работает как обычное нейтральное реле.

Рис. 8

Релейный режим магнитного усилителя с внутренней положительной обратной связью достигается за счет использования дополнительной обмотки внешней обратной связи. Характеристика управления магнитного усилителя в релейном режиме имеет гистерезисную петлю, ширина которой зависит от значения коэффициента обратной связи. Существенным недостатком магнитных усилителей с положительной