2. Магнитные усилители

В последнее время в области автоматики все большее применение на­ходят магнитные усилители. Принцип их действия основан на зависимости магнитной проницаемости ферромагнитных материалов дросселя при его питании переменным током от подмагничивающего действия постоянного поля. Схема простейшего магнитного усилителя показана на рис. V.2.

Магнитный усилитель состоит из двух дросселей Іи ІІ с подмагничиванием постоянным током. Обмотки 1 и 2 переменного тока обоих дросселей намотаны на сердечники, так что направления переменных магнитных потоков во внутренних сердечниках противоположны. Вследствие этого электродвижущие силы, индуктируемые переменными магнитными пото­ками Ф в обмотку 3 постоянного тока, будут взаимно компенсироваться. Входной величиной усилителя является напряжение Е обмотки 3 либо ток i_y, протекающий по этой обмотке. Эта обмотка называется управляющей или подмагничивающей. Выходной величиной магнитного усилителя является переменный ток в обмотках 1 и 2 и нагрузочном резисторе R_H. Величина этого тока

(V.8)

где R — сумма активного сопротивления обмоток 1 и 2 и нагрузки R_H; и — напряжение в цепи переменного тока; ωL == ω (L₁ + L₂) — сумма реактивных сопротивлений обмоток 1 и 2. Индуктивности обмоток 1 я 2

(V.9)

где ω — число витков обмотки 1 или 2; l — длина средней линии сердеч­ника; S — площадь сечения сердечника; μ — коэффициент магнитной про­ницаемости сердечника.

Протекающий по обмотке управления постоянный ток меняет насыще­ние сердечника. При этом с увеличением силы тока уменьшается динамиче­ская магнитная проницаемость; в результате реактивное сопротивление ка­тушек 1и 2 падает, а величина тока i_н растет.

На рис. V.3 показана зависимость тока i_н от величины постоянного тока подмагничивания i_y. Коэффициент усиления по току определяется как отношение

(V.10)

Усиление по мощности

Рис. V.2. Схема простей­шего магнитного усилите­ля

Рис. V.3. Зависимость тока в нагрузке усилителя от величины тока подма­гничивания

Рис. V.4. Схема магнит­ного усилителя со вспомо­гательной обмоткой по­стоянного подмагничивания

Затрачивая небольшую мощность Р_у на подмагничивание, можно управлять значительной мощностью Р_н.

На рис. V.4, а показана схема магнитного усилителя с большим коэф­фициентом усиления. Для получения большого коэффициента усиления следует обеспечить работу магнитного усилителя на наиболее крутом уча­стке М₁М₂характеристики (рис. V.4, б). Для этого вводится вспомогатель­ная обмотка постоянного подмагничивания, обеспечивающая работу магнит­ного усилителя в точке М характеристики i_н =f (i_y). В обмотке управле­ния при этом ток изменяется только в пределах i_Уо — ∆i_y < i_y < i_y0 + ∆i_y. В рассматриваемой схеме вспомогательной обмоткой постоянного подмагни­чивания является обмотка, получающая питание от селенового или купроксного выпрямителя.

В качестве материала для сердечников магнитных усилителей приме­няют трансформаторную сталь или пермаллой. Необходимо отметить, что коэффициент усиления по мощности зависит не только от качества материала сердечника, но и от частоты тока. С увеличением частоты коэффициент уси­ления увеличивается. Так, при частоте 50 Гц коэффициент усиления по мощности магнитных усилителей из трансформаторной стали составляет величину 50—200, а из пермаллоя — 100—1000. При частоте 500 Гц коэффи­циенты усиления соответственно увеличиваются: для трансформаторной стали можно получить усиление порядка 100—800, а для пермаллоя — 200—2000. Поэтому магнитные усилители обычно работают на повышенных частотах — от 400 до 3000 Гц.

Перейдем теперь к рассмотрению различных схем магнитных усили­телей.

Для получения большего усиления применяют магнитные усилители с положительной обратной связью. Принципиальная схема однотактного магнитного усилителя с положительной обратной связью приведена в табл. V.2 (схема 4). Коэффициенты усиления по мощности у магнитных усилителей с обратной связью, выполненных на сердечнике из трансформа­торной стали, при частоте 50 Гц достигают 1000, а на сердечнике из пер­маллоя — 3000—10 000. При более высоких частотах можно получить зна­чительно больший коэффициент усиления.

Для увеличения крутизны характеристики i_H = f (i_y) и придания ей симметричной формы относительно тока i_y используют дифференциальные магнитные усилители. Схема такого усилителя изображена на рис. V.5, а. Усилитель состоит из двух идентичных магнитных усилителей, получающих питание от трансформатора Т_р. Управляющие и вспомогательные обмотки усилителей включены последовательно, а дроссельные обмотки — парал­лельно. Благодаря этому через нагрузочный резистор R_H протекает разность токов i_н^’ и i_н^’’ этих усилителей. Результирующая характеристика (рис. V.4, б) получается как сумма характеристик: