Электрические элементы автоматики. Магнитный усилитель (МУ). Однотактный и двухтактный МУ. Обратная связь и смещение в МУ

Магнитный усилитель представляет собой усилительно-преобразовательное устройство параметрического типа, поскольку принцип его работы основан на использовании свойства дросселя переменного тока с ферромагнитным сердечником изменять свою индуктивность при подмагничивании постоянным током.

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

Рассмотрим принцип действия простейшего дроссельного магнитного усилителя (рис. 91.1), состоящего из ферромагнитного сердечника с двумя обмотками: обмоткой управления , на которую подаётся подлежащий усилению сигнал постоянного тока, и выходной обмоткой , питаемой переменным напряжением через сопротивление нагрузки .

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

, (91.1) где - частота напряжения питания; L - индуктивность обмотки .

В процессе функционирования магнитного усилителя остаются неизменными, а, следовательно, ток в выходной цепи будет зависеть только от индуктивности L.

Покажем теперь, что индуктивность дросселя L является функцией входного сигнала .

Для этого воспользуемся семейством характеристик (рис. 91.2, а), отражающих связь между переменной составляющей индукции в сердечнике дросселя и напряженностью магнитного поля, создаваемого как переменным током в обмотке , так и постоянным током в обмотке . Магнитная проницаемость для переменной составляющей

(91.2)

Индукция , определяемая напряжением питания , остаётся неизменной при увеличении тока подмагничивания , а напряжённость поля с ростом управляющего сигнала возрастает . Следовательно, магнитная проницаемость и связанная с ней прямо пропорциональной зависимостью индуктивность дросселя L будет уменьшаться при увеличении входного сигнала (рис. 91.2, б). Тогда, пользуясь уравнением связи

, (91.3) где - число витков выходной обмотки; S -площадь поперечного сечения магнитопровода, ; l -длина магнитопровода, м, и соотношением (91.1) можно получить статическую характеристику магнитного усилителя , определяющую зависимость выходного тока усилителя от тока управления (рис. 91.3).

Следует отметить, что изменение индуктивного сопротивления будет вызывать необходимое изменение тока нагрузки в том случае, когда это сопротивление значительно больше сопротивления нагрузки . Действительно, только при этом условии выходной ток будет определяться в основном индуктивным сопротивлением дросселя.

Пренебрегая током холостого хода ввиду его малости, можно аппроксимировать статическую характеристику реального магнитного усилителя некоторой линейной функцией (см. рис. 91.3), соответствующей статической характеристике идеального магнитного усилителя, сердечник которого выполнен из ферромагнитного материала с прямоугольной кривой намагничивания.

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

; (91.4) ; (91.5) . (91.6)

Приведённые коэффициенты усиления можно выразить через параметры магнитного усилителя, заменив идеальную статическую характеристику характеристикой типа отличающейся от исходной только масштабами по осям абсцисс и ординат. Тогда для линейного участка полученной характеристики справедливо соотношение

(91.7) а (91.4)-(91.6) примут вид:

(91.8) (91.9)

, (91.10) где - сопротивление цепи управления усилителя.

Рассмотренная схема простейшего магнитного усилителя (рис. 91.1) 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 нарушает нормальную 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 её элементов при отсутствии сигнала на входе;

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

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

Так, для исключения э.д.с., трансформируемой в обмотке управления, применяют схему магнитного усилителя на двух сердечниках (рис. 91.4, а). Здесь обмотка управления и выходная обмотка состоят каждая из двух секций. Магнитный поток индуктирует равные э.д.с. в секциях обмотки управления. Однако, поскольку секции включены встречно, индуктируемые э.д.с. будут направлены навстречу друг другу, а, следовательно, будут взаимно уничтожаться. Ещё более рациональной является конструкция, выполненная на Ш-образном сердечнике (рис. 91.4, б), в которой обмотка управления размещается на среднем стержне, а выходные обмотки располагаются на крайних стержнях, причём их секции включаются встречно. Это приводит к тому, что переменные магнитные потоки, создаваемые каждой секцией в среднем сердечнике направлены навстречу друг другу и полностью компенсируются ввиду их равенства, и э.д.с. в обмотке управления не индуктируется.

Недостатком конструкции магнитных усилителей на Ш-образных сердечниках является то, что переменный магнитный поток замыкается через крайние стержни, не попадая в средний (рис. 91.4, б), следовательно, объём среднего стержня не участвует активно в процессе 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, способствующие устранению искажающегося 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 создаёт возможность наведения внешними полями э.д.с. 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. Такой усилитель будет нечувствителен к внешним магнитным полям, так как вследствие осевой симметрии тороидов потоки рассеяния будут отсутствовать.

Для увеличения коэффициентов усиления магнитных усилителей применяется положительная обратная связь (ОС). В магнитных усилителях различают внешнюю, внутреннюю и смешанную связи.

При введении внешней ОС выходной ток усилителя выпрямляется и подаётся в специальную обмотку ОС, конструктивно расположенную там же, где и обмотка управления (рис. 91.5, а).

Внутренняя ОС вводится путём подачи пульсирующего тока, постоянная составляющая которого и является током смещения, в рабочие обмотки , что достигается включением выпрямителей в рабочую цепь (рис. 91.5, б). Смешанная ОС представляет собой объединение внутренней и внешней ОС в одной схеме включения магнитного усилителя. Чтобы ОС была положительной, необходимо выбрать направление тока в обмотке ОС , определяемое схемой включения выпрямителя, таким, которое бы приводило к созданию напряжённости поля в сердечнике, совпадающей с напряжённостью, получаемой от сигнала управления (рис. 91.5, а).

Ведение ОС приводит к изменению статической характеристики, состоящему в том, что для одной половины статической характеристики крутизна линейного участка возрастает, а для другой - снижается (рис. 91.6).

Однако положительная ОС приводит к увеличению тока холостого хода (см. рис. 91.6), что является нежелательным. Для уменьшения этого тока можно применять смещение, которое состоит в том, что в магнитном усилителе дополнительная обмотка смещения , располагаемая там же, где и обмотка управления (рис. 91.7). На обмотку смещения подаётся постоянный сигнал, причём в зависимости от его полярности можно проводить смещение статической характеристики как в одну, так и в другую сторону. На рис. 91.8 приведены две характеристики усилителя с обратной связью: кривая 1 без смещения; кривая 2 при наличии смещения . При этом ток с введением смещения уменьшается до величины .

Двухтактные, или реверсивные, усилители обладают тем свойством, что при изменении полярности входного сигнала фаза выходного сигнала изменяется на 180⁰, а в усилителях с выходом на постоянном токе полярность выходного сигнала меняется на противоположную. При отсутствии сигнала на входе выходной сигнал равен нулю. Такие усилители находят наибольшее применение в системах автоматического регулирования и контроля, поскольку они чувствительны к изменению знака входного сигнала.

Обычно двухтактные магнитные усилители выполняются посредством соответствующего соединения однотактных усилителей. Наиболее распространёнными схемами соединения являются дифференциальная и мостовая схемы.

Двухтактный магнитный усилитель, собранный по дифференциальной схеме, состоит из двух однотактных усилителей, обмотки управления которых включены последовательно и согласно, а обмотки смещения - встречно (рис. 91.9, а). Так как цепь смещения оказывает влияние на длительность переходных процессов в магнитном усилителе, то в неё включаются дополнительные сопротивления R, приводящие к уменьшению постоянной времени цепи смещения , где - индуктивность обмотки смещения; - активное сопротивление, служащее для балансировки схемы.

Нагрузка включается между средней точкой вторичной обмотки трансформатора, питающего усилитель, и средней точкой обмоток переменного тока обоих усилителей, при этом ток в нагрузке , где и - токи соответственно левой и правой частей схемы двухтактного усилителя.

При полной симметрии схемы статические характеристики однотактных усилителей, образующих реверсивный усилитель, располагаются симметрично относительно начала координат (рис. 91.9, б).

Если сигнал управления равен нулю, ток в рабочей цепи также равен нулю, так как посредством смещения добиваются, чтобы токи холостого хода каждого отдельного однотактного усилителя были одинаковы .

При увеличении сигнала управления на входе усилителя () насыщение первого дросселя возрастает, а второго - падает. Следовательно, ток растёт, а - уменьшается. На выходе появляется ток, равный разности токов и . Таким образом, статическую характеристику двухтактного усилителя можно получить из статических характеристик образующих его однотактных усилителей путём вычитания ординат исходных характеристик при одинаковых абсциссах (рис. 91.9, б). Легко увидеть, что полученная характеристика обладает чувствительностью к полярности входного сигнала.

Чтобы построить двухтактный усилитель по мостовой схеме, необходимо образовать четыре плеча из обмоток переменного тока двух однотактных усилителей. Затем в одну диагональ полученного моста включить источник питания, а во вторую - сопротивление нагрузки (рис. 91.10). Обмотки управления и смещения включаются так же, как и дифференциальной схеме.

При отсутствии входного сигнала индуктивные сопротивления всех обмоток переменного тока одинаковы, электрический мост уравновешен и ток в нагрузке равен нулю. Если теперь подать управляющий сигнал, то индуктивность двух противоположных плеч моста, принадлежащих одному из однотактных магнитных усилителей, падает, а двух других - возрастает. Это приводит к нарушению равновесия моста, и, следовательно, через нагрузку пойдёт ток разбаланса. Статическая характеристика двухтактного магнитного усилителя, собранного по мостовой схеме, имеет такой же вид, как и для дифференциального усилителя (см. рис. 91.9, б).

Преимущества и недостатки магнитных усилителей.

Важнейшими преимуществами магнитных усилителей являются:

· практически линейные характеристики двухтактных усилителей, не имеющие зоны нечувствительности;

· высокий коэффициент усиления по мощности;

· отсутствие гальванической связи между цепью управления и рабочей цепью;

· мгновенная готовность к действию;

· возможность каскадного соединения магнитных усилителей с целью получения высокого коэффициента усиления сигнала;

· удобство в сочленении с транзисторными элементами, позволяющее создавать смешанные магнитотранзисторные усилительно-преобразовательные устройства, обладающие высоким быстродействием и коэффициентом полезного действия при большой выходной мощности;

· возможность применения в качестве бесконтактных устройств;

· высокий коэффициент полезного действия;

· возможность применения в качестве операционных усилителей, обеспечивающих суммирование, интегрирование, дифференцирование и другие действия над входными сигналами;

· высокая конструктивная прочность и надёжность.

К недостаткам магнитных усилителей можно отнести:

· значительную инерционность при пониженных частотах источника питания (~50 Гц);

· существенное отклонение формы тока рабочей цепи от гармонической;

· достаточно большие габариты и масса при большой мощности выходного сигнала.

46. Электронные средства автоматики. Полупроводниковые линейные и нелинейные преобразователи аналоговых сигналов

Полупроводниковые линейные преобразователи аналоговых сигналов

статические динамические вспомогательные

Дата добавления: 2015-07-10