Классификация и принцип действия магнитных усилителей

Магнитным усилителем называется усилитель электрических сигналов, действие которого основано на использовании нелинейности характеристик ферромагнитных материалов. Магнитные усилители применяются в разнообразных устройствах: от точных измерительных приборов до схем автоматического управления крупными производственными агрегатами (прокатными станами, экскаваторами и т.п.). Широкое применение магнитных усилителей определяется рядом их достоинств:

· большим сроком службы, высокой надежностью, простотой эксплуатации;

· широким диапазоном усиливаемых мощностей: от 10^-13... 10^-6 Вт до несколько десятков и даже сотен кВт; постоянной готовностью к работе;

· возможностью суммировать на входе несколько управляющих сигналов;

· значительной перегрузочной способностью; пожаро- и взрывобезопасностью;

· стабильностью характеристик в процессе эксплуатации. Магнитные усилители различают по следующим признакам: виду статической характеристики - однотактные (нереверсивные) и двухтактные (реверсивные);

· способу осуществления обратной связи (ОС) - без ОС и с ОС (внешней, внутренней, смешанной);

· форме кривой выходного напряжения - с выходом на несущей или удвоенной частоте, на постоянном или выпрямляемом токе и т.д.;

· способу включения нагрузки - с последовательным и параллельным включением нагрузки и рабочих обмоток;

· числу и конструкции сердечников в однотактной схеме - с одним двухстержневым или тороидным сердечником, с двумя сердечниками, трехстержневым и четырехстержневым сердечниками;

· способу осуществления смещения - постоянным или переменным током и шунтированием выпрямителей ОС;

· режиму работы - линейные (или пропорциональные) и релейные.

Простейшие магнитные усилители без ОС выполняются в виде двух одинаковых трансформаторов. Рабочие обмотки этих трансформаторов с числом витков w_р включаются последовательно с источником питания переменного напряжения U (рис. 10.1). Управляющие обмотки с числом витков w_y включаются встречно относительно рабочих обмоток для устранения трансформаторной связи между цепями, образуемыми управляющими и рабочими обмотками. Усиливаемый сигнал постоянного тока I _упоступает в управляющие обмотки w_y трансформаторов и вследствие нелинейного характера кривой намагничивания сердечников вызывает уменьшение их магнитной проницаемости и пропорциональное уменьшение индуктивности L₁ рабочих обмоток.

Устройство, имеющее схему, приведенную на рис. 10.1, часто называют дросселем насыщения или управляемым дросселем, так как, изменяя степень магнитного насыщения его сердечников путем подмагничивания их постоянным током, можно в широких пределах изменять индуктивность рабочих обмоток. Нагрузка R_H, показанная на рисунке пунктиром, включается в цепи переменного тока параллельно или чаще последовательно с управляемой индуктивностью.

Токи I ₁ и I ₂, протекающие соответственно в рабочей и управляющей обмотках трансформаторов, создают магнитные поля, которые в течение одного полупериода переменного тока в одном из сердечников имеют одинаковые, а в другом - противоположные направления. В результате первый сердечник насыщается, а второй остается ненасыщенным. Для ненасыщенного сердечника справедливо уравнение обычного трансформатора:

где I_μ - намагничивающий ток трансформаторов.

При отсутствии сигнала на входе усилителя I ₂ = 0 и I ₁ = I _μ. В этом режиме среднее значение тока нагрузки имеет минимально возможное значение, равное току холостого хода трансформатора I _хх.

При наличии существенного сигнала I _у на входе усилителя обычно можно пренебречь слагающей I _μ ω_р в правой части уравнения ампервитков по сравнению с I₂w_у. Тогда, интегрируя в пределах полупериода, в течение которого рассматриваемый сердечник ненасыщен, получим

т.е. ток нагрузки в схеме на рис. 10.1 определяется лишь током управления и конструктивными параметрами усилителя и не зависит от нагрузки.

Коэффициенты усиления по току k₁ и мощности k_Р для простейшего магнитного усилителя определяют по формулам

где R_y - активное сопротивление управляющий обмотки.

Существенным недостатком таких магнитных усилителей является их относительно высокая инерционность, которую обычно характеризуют постоянной времени τ цепи управления: τ = k_p/ 4η f, где η -КПД цепи нагрузки; f - частота источника питания. Для уменьшения инерционности магнитных усилителей применяют переменный ток повышенной частоты (400... 10 000 Гц и выше).

На рис.изображен магнитопровод, на кото­рый намотаны две обмотки: рабочая w _р, питаемая синусоидальным напряжением, и управляющая w _у к которой подводится усиливаемое напряжение.

Ферромагнитный материал, из которого изготов­ляются магнитопроводы магнитных усилителей, можно представить состоящим из отдельных малых областей (доменов), самопроизвольно намагничивающихся в различных направлениях.

При наложении на магнитопровод магнитного поля обмотки эти намагниченные области («магнитики») ориентируются преимущественно вдоль силовых линий внешнего поля, в результате чего общий магнитный поток резко возрастает. При изменении полярности тока в обмотке «магнитики» поворачиваются и направление общего магнитного потока в магнитопроводе изменяется на обратное.

Будем называть магнитодвижущей силой (МДС) Aw произведение тока в обмотке на число ее витков. Эта величина пропорциональна току, так как число витков обмотки обычно постоянно.