Магнитные усилители

Магнитным усилителем называется электромагнитное устройство, которое использует зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля. Достоинствами маг-

Рис. 3.8. Магнитные усилители

нитных усилителей являются отсутствие контактов, высокая чувствительность и практически неограниченная долговечность. Простейший магнитный усилитель (дроссель насыщения) работает следующим образом (рис. 3.8,а). При питании рабочей обмотки усилителя U_p током переменной частоты, ток, про-

текающий по нагрузке Z_H, будет мал ввиду того, что индуктивное сопротивление катушки W_p велико,

где R_H — омическое сопротивление катушки и нагрузки, Ом; ω L — индуктивное сопротивление, Ом; ω — угловая частота, рад/с; L — индуктивность катушки, Гн.

Индуктивность же катушки зависит от магнитной индукции сердечника, а следовательно, и магнитной проницаемости, т. е.

где S — сечение магнитопровода, см²; W_p — количество витков катушки; l — длина магнитопровода, см; μ — магнитная проницаемость ярма.

Управление магнитной проницаемостью μ, а точнее управление напряженностью магнитного поля производится обмоткой управления W_y, в которую подается постоянный ток. При подаче сигнала управления U_y в сердечнике образуется магнитный поток Ф_у с увеличением которого магнитная проницаемость уменьшается. Изменяется индуктивность катушки, уменьшается индуктивное сопротивление рабочей катушки и ток нагрузки возрастает (эффект усиления).

На рис. 3.8, б показана статическая (плавная) (1 — 2) характеристика магнитного усилителя. Точка 1 соответствует току, протекающему по нагрузке Z_H при сигнале управления I _у=0. Точка 2 характеристики соответствует максимальному насыщению сердечника.

Для увеличения коэффициента усиления в магнитных усилителях применяется положительная обратная связь. Работа усилителя с внешней положительной обратной связью сводится к следующему (рис. 3.8, в). Переменный ток рабочей цепи выпрямляется и подается в обмотку обратной связи W_oc. Таким образом происходит предварительное подмагничивание постоянным током сердечника усилителя. Поэтому для полного насыщения сердечника потребуется меньший ток сигнала управления I _у, вследствие чего увеличивается коэффициент усиления по току, который определяется как k = I_H/I_y.

Действительно, если учесть, что ток катушки обратной связи равен среднему значению тока рабочей обмотки, т. е. I_{о с} = I _ср, то коэффициент усиления обратной связи будет

где l — средняя длина магнитопровода, W_oc и W_p — число витков катушек обратной связи и рабочей обмотки. При положительной обратной связи магнитные потоки этих катушек совпадают по направлению, на рис. 3.8, в обозначенные стрелками Ф_у и Ф_ос. Учитывая, что намагниченные силы переменного тока и постоянного тока должны быть равны, можно написать, что I_cpW_p=I_yW_y. Тогда для усилителя с положительной обратной связью будем иметь I _cpW_p== I _yW_y= I _yW_y+ I _ос W _oc, а коэффициент усиления по току будет

Из полученного выражения видно, что k_oc → 1 положительная обратная связь увеличивает коэффициент усиления. Характеристика МУ с положительной обратной связью может быть легко построена графически, если имеется характеристика МУ без обратной связи. Для этого надо провести прямую линию 0— А из начала координат под углом α (рис. 3.8, г), т. е.

Полученные значения тока, например, из точки 2 сносят параллельную линией 2 — 0 на ось I _у и далее вертикально в точку 2', которая характеризует новое положение характеристики магнитного усилителя с обратной связью. Аналогично поступают и для других точек.

Для получения полной характеристики необходимо имевшуюся кривую повернуть вокруг точки 1 на угол а, что и показано на рис. 3.8, г. В этом случае статическая характеристика МУ становится релейной, так как при подаче сигнала управления состояние магнитного усилителя происходит скачкообразно из точки 1 в точку 3 (показано пунктиром). Тот же самый эффект увеличения коэффициента усиления можно получить, применяя так называемую внутреннюю обратную связь. Как видно из рис. 3.8, д, ток холостого хода I _хх за счет диодов протекает в положительный полупериод по одной обмотке W₁, а в отрицательный период по другой W₂. Эти токи создают поочередно магнитные потоки Ф' и Ф", направленные в одну сторону. Следовательно, без обмотки обратной связи W_oc возникает постоянный магнитный поток предварительного подмагничивания сердечника.

Рассмотренные выше простейшие магнитные усилители имеют серьезный недостаток, а именно: пульсирующий магнитный поток рабочей обмотки наводит, как и в трансформаторе, переменную ЭДС в обмотке управления, что приводит в конечном итоге к искажению выходных параметров значения тока и

напряжения рабочей обмотки. Чтобы устранить это явление, магнитный усилитель делают из двух сердечников (рис. 3.8, е). В этом случае рабочие обмотки W_p' и W_p" наматываются так, чтобы их магнитные потоки Ф' и Ф" были одинаковыми по величине, но направлены навстречу друг другу. Тогда ЭДС, наводимая в W_y, взаимно компенсируется.

В тех случаях, когда необходимо иметь усилитель, реагирующий на полярность подаваемого сигнала управления (фазо-чувствительные магнитные усилители), применяют мостовые и дифференциальные схемы.

Магнитные усилители имеют несколько обмоток управления, поэтому их можно использовать в тех системах, где требуется суммирование сигналов управления.

К основным недостаткам магнитных усилителей относятся: значительная инерционность, которая в некоторых мощных усилителях достигает целых секунд. Постоянная времени магнитного усилителя вычисляется по формуле

где I — частота тока, Гц; R_o — общее сопротивление выходной цепи, Ом. Из формулы видно, что постоянная времени усилителя определяется величиной L _y.

Выбор магнитных усилителей производится на основе паспортных характеристик выбранного исполнительного элемента, на которых он работает. Определяются выходные данные усилителя: напряжение, ток, мощность, коэффициент усиления и сопротивление нагрузки. Далее, задавшись значением входного сопротивления усилителя (с учетом выходного сопротивления воспринимающего элемента), определяют ток, напряжение, мощность на входе усилителя. После этого определяют коэффициент усиления по току, мощности и напряжению.

Дата добавления: 2015-08-27