Дроссельный электромагнитный усилитель

В простейшем виде магнитный усилитель представ­ляет собой дроссель насыщения переменного тока (рис. 61), в цепь которого последовательно с рабочей обмоткой ω_р, включено сопротивление нагрузки Rн. Вы­ходное напряжение Uвых снимается с нагрузки Rн.

Индуктивность дросселя насыщения может меняться в широких пределах за счет подмагничивания дросселя постоянным током.

Простейший магнитный усилитель или дроссель на­сыщения (рис.61) работает следующим образом:

На вход усилителя (на обмотку управления) подаётся

Uу - управляющее напряжение, что вызывает протекания тока управления Iу, а на рабочую обмотку подаётся U~ напряжение питания усилителя. Усиленное напряжение на выходе усилителя Uвых снимается с сопротивления нагрузки Rн.

Рис. 61. Схема дроссельного магнитного усилителя на одном сер­дечнике

При питании рабочей обмотки усилителя w_р переменным напряжением U~ ток нагрузки Iн, протекающий по нагрузке Rн, будет мал ввиду того, что индуктивное сопротивле­ние рабочей обмотки велико:

 

 

где U~ переменное напряжение питания магнитного усилителя;

R_Н - полное активное сопротивление рабочей цепи;

Хр = 2π*f*Lр - индуктивное сопротивление рабочей обмотки.

f - частота питания рабочей цепи.

Lр - индуктивность рабочей обмотки, опреде­ляемая по формуле:

 

 

w_р - число витков рабочей обмотки;

S_С - площадь поперечного сечения ферромагнитного сердечника;

ℓ_C - длина средней магнитной линии сердечника;

µ_с - магнитная проницаемость сердечника.

Принцип действия магнитного усилителя основан на использовании явления насыщения ферромагнитных материалов в магнитном поле, т.е. нелинейности их ха­рактеристик намагничивания.

Будем считать, что ток в рабочей цепи I является синусоидальным.

Управление магнитной проницаемостью µ_с, а точнее управление напряженностью магнитного поля, произво­дится обмоткой управления Wу, в которую подается по­стоянный ток. 

Если сигнал управления Uу = 0, а рабочая обмотка запитана переменным напряжением U~, то напряжение Uвых на выходе усилителя минимально. Если на обмотку управления Wу подать управляющий сигнал Uу, то произойдёт подмагничивание сердечника постоянным током этого управляющего сигнала, что приведёт к его насыщению. В этом случае любое небольшое изменение напряжения приводит к значительному увеличению тока в цепи рабочей обмотки.

Рис. 62. Графическое объясне­ние принципа действия про­стейшего дроссельного маг­нитного усилителя.

Кривая намагничивания ферромаг­нитного сер­дечника.

При подаче сигнала управления Uу маг­нитная индукция сердечника магнитного усилителя уве­личивается, а магнитная проницаемость его уменьша­ется. Уменьшается индуктивное сопротивление рабочей катушки, и ток на­грузки возрастает за счёт чего возникает эффект усиления.

Принцип действия электромагнитного усилителя можно проиллюстрировать с по­мощью рис. 62.

На этом рисунке приведены кривая намагничивания ферромагнитного сердечника и кривые изменения магнитной индукции при управляющем напряжении Uу = 0 и при Uу > 0.

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

К достоинствам электромагнитных усилителей можно отнести:

- высокую надежность и большой срок службы;

это объясняется тем, что усилители не имеют подвижных частей. Они, как правило, работают в широком диапазоне изменения температуры, давления и влажности. Усилители взрыво- и пожаробезопасны, потому что в них отсутствуют источники искрения;

- готовность к работе после включения питания (не требуется разогрев);

- высокий КПД;

- большой порог чувствительности. Магнитные уси­лители могут усиливать слабые сигналы постоянного тока мощностью 10^-19-10^-17 Вт;

- большую выходную мощность (она может дости­гать сотен тысяч киловатт);

- большой коэффициент усиления по мощности (на­пример, для одного каскада он может быть равен 10⁶);

- уменьшение габаритов и массы магнитного усилителя с повышением частоты (400 Гц и выше).

Наиболее существенным недостатком магнитных уси­лителей по сравнению с электронными и полупроводни­ковыми усилителями является их большая инерцион­ность, которая вызвана индуктивностью обмотки управ­ления. Инерционность в основном определяется отставанием во времени тока управления Iу от напряже­ния управления Uу.

Магнитные усилители в автоматике используются в качестве усилителей мощности для управления двигателями переменного тока, а также в качестве регуляторов напряжения, частоты и темпера­туры.