Быстродействующий магнитный усилители

Быстродействующий магнитный усилитель Рейми – магнитный усилитель на сердечниках в форме тороида из материалов с прямоугольной петлёй гистерезиса. Быстродействующие магнитные усилители - магнитные усилители, постоянная времени которых меньше длительности периода переменного питающего напряжения. Если в обычных усилителях на инерционность оказывает основное влияние цепь управления, то в быстродействующих усилителях необходимо учитывать запаздывание и в рабочей цепи. Высокое быстродействие в магнитных усилителях (в одном каскаде) может быть обеспеченно при использовании высококачественных материалов для сердечников. К таким материалам относятся железоникелевые сплавы (пермаллои), основные достоинства которых – близкая к прямоугольной петля гистерезиса, высокая магнитная проницаемость в слабых полях и малое значение коэрцитивной силы.

Рисунок 3.1 – Схема простейшего быстродействующий МУ

Для упрощенного анализа работы быстродействующего магнитного усилителя воспользуемся теорией идеализированного магнитного усилителя (будем пренебрегать шириной петли гистерезиса магнитного материала сердечника) [2]. Представим эту кривую графически в виде ломаной линии, состоящей из трех отрезков (рисунок 3.2).

 Рисунок 3.2 – Зависимость магнитной индукции от напряженности

                    магнитного поля                                                         

Вертикальный участок этого графика соответствует магнитной проницаемости, стремящейся к бесконечности, а на горизонтальных участках магнитная проницаемость стремится к нулю. Это означает, что в режиме работы сердечника на вертикальном участке индуктивное сопротивление рабочей обмотки стремится к бесконечности, а на горизонтальном участке – к нулю.

Простейшим быстродействующим магнитным усилителем является схема на одном сердечнике с внутренней обратной связью за счет однополупериодного выпрямления в цепи рабочей обмотки (рисунок 3.1). Работу такой схемы можно рассматривать по двум полупериодам питающего напряжения U~. Когда диод VD открыт (полярность приложенного напряжения совпадает с проводящим направлением диода), изменение магнитного состояния сердечника происходит под действием тока в рабочей обмотке. Этот полупериод называется рабочим. Когда диод VD закрыт, изменение магнитного состояния сердечника происходит только под влиянием тока в обмотке управления. Этот полупериод называется управляющим.

 В рабочем полупериоде можно выделить два режима работы усилителя: рабочая точка находится на вертикальном или на горизонтальном участке характеристики намагничивания (рисунок 3.2). В первом режиме индуктивное сопротивление рабочей обмотки очень велико и ток в рабочей цепи (ток нагрузки Iн) равен нулю. Во втором режиме индуктивное сопротивление рабочей обмотки близко к нулю и ток в рабочей цепи Iн определяется только мгновенным значением напряжения питания и активным сопротивлением нагрузки. В зависимости от значения тока управления изменяется момент времени, в который индуктивное сопротивление рабочей обмотки скачком изменяется от бесконечности до нуля (речь идет об идеализированном магнитном усилителе).

Рисунок 3.3 – Статические характеристики быстродействующего МУ без

                   смещения (а) и со смещением (б)    

Зависимость выходного тока от управляющего показана на рисунок 3.3, а. Как видно из характеристики Iн=f(Iy), при Iy=0 выходной ток максимален, а для его уменьшения требуется подавить отрицательный входной сигнал (–Iy). На практике удобнее иметь прямо пропорциональную зависимость выходного сигнала от входного (рисунок 3.3, б). Для получения такой характеристики в управляющую цепь включают дополнительный источник напряжения смещения Uсм (его называют опорным напряжением) с той же частотой, что и напряжение питания, но сдвинутый по фазе на 180˚ (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 – Схема быстродействующего усилителя со смещением.

При выполнении соотношения между питающим и опорным напряжениями Uсм/U~ =ωy/ωp необходимое размагничивание сердечника будет происходить в течении управляющего полупериода за счет Uсм и при Iy=0. Соответственно при Iy=0 ток нагрузки будет равен нулю, а при увеличении тока управления будет возрастать ток нагрузки, как показано на рисунок 3.3, б.