Магнитные усилители

Принцип действия основан на использовании нелинейных магнитных характеристик ферромагнитных материалов (изменения индуктивности рабочей обмотки в зависимости от насыщения ферромагнитного сердечника).

Достоинства МУ: высокая надежность, практически неограниченный срок службы, большая выходная мощность, возможность усиления малых сигналов. Их используют как усилители входных сигналов, поступающих от датчиков и других элементов автоматики, применяют в измерительных устройствах, вычислительных машинах.

Данные устройства подразделяются на нереверсивные (однотактные) и реверсивные (двухтактные).

МУ состоит их замкнутых ферромагнитных сердечников (их бывает обычно 2 или 3) на каждом из которых располагается обмотка. Одна из них является управляющей, а другие рабочими. МУ также называются дроссельными. Данные устройства подразделяются на реверсивные (однотактные) и реверсивные (двухтактные). Катушки могут работать от одно-и трехфазных токов, а выходной величиной может быть переменный, либо постоянный ток. Как правило, рабочая катушка питается, переменным током, а управляющая – постоянным.

Рассмотрим МУ, состоящий из трех сердечников. Его рабочая часть состоит из двух обмоток W₁ и W₂, которые расположены на крайних сердечниках и подключаются между собой последовательно и встречно, либо встречно-параллельно. Чаще подключение последовательное. Сопротивление нагрузки R_н подключается в цепь либо последовательно рабочим обмоткам, либо (реже) параллельно им. Обмотка управления W_У, расположенная на среднем сердечнике, обеспечивает его подмагничивание. Следовательно, от изменения тока в ней будет зависеть ток в рабочих обмотках и цепи нагрузки, а также выходное напряжение, т.е.

U_вых = f(U_др) или I_н = f(I_у).

При анализе работы МУ для получения статических характеристик обычно рассматривают идеальное устройство, имеющее следующую характеристику намагничивания

В = j(Н), ограниченную тремя прямыми,

где Н – напряжение магнитного поля;

В - магнитная индукция;

В_s - ндукция насыщения.

Т.е. при Н = 0, m ® µ и, следовательно, индуктивность рабочих обмоток L ® ∞. Скорость изменения магнитной индукции ½ dB/dH ½ ® ∞, а ½ B ½ < ½ B_s ½. В этом случае I_н = 0. Когда Н > 0, m = 0 и L = 0 и тогда ½ dB/dH ½ = 0, а

½ B ½ = ½ B_s ½. При этом I_н ® ∞.

Рассмотрим работу МУ при I_y = 0, когда нагрузка носит активный характер, сопротивление цепи управления мало, т.е. R_у << R_р + R_н и R ® 0. Магнитные потоки Ф₁ и Ф₂, создаваемые намагничивающими силами переменного тока направлены (в среднем сердечнике) навстречу друг другу и компенсируют друг друга, что исключает наведение здесь ЭДС переменного тока. Т.е. при подаче к рабочей цепи напряжения, которое меняется по синусоидальному закону U = U_m sinwt, оба сердечника будут перемагничиваться. Индукции в них равны и будут изменяться по синусоидальному закону В₁ = В₂ = В_msin(wt - p/2). При этом параметры усилителя выбирают так, чтобы B_m < B_s. Следовательно, магнитная проницаемость m и индуктивность рабочих катушек L велика, оба сердечника ненасыщенны и напряжение будет полностью приложено к рабочим обмоткам, а, следовательно, I_н = 0. В реальных МУ при U_у = 0 в рабочих обмотках протекает ток холостого хода.

При наличии входного сигнала магнитодвижущая сила I_yw_y создает в сердечниках постоянную составляющую индукции B₀, которая в каждый полупериод подмагничивает один и размагничивает другой сердечник. Тогда индукции в сердечниках

В₁ = - В_mcoswt + B₀ ; (1,2)

В₂ = - В_mcoswt - B₀ ,

а, результирующая индукция В₁ - В₂ = 2В.

В начальный момент при wt = 0

В₁ = - В_m + B₀ - первый сердечник размагничивается,

В₂ = - В_m - B₀ = В_s - а второй вступает в насыщение.

Это ведет к резкому уменьшению m и L, ЭДС в рабочих обмотках наводиться не будет, и все напряжение источника питания будет приложено к нагрузке. Это приводит к скачкообразному возникновению тока в выходной цепи, уменьшающемуся к концу полупериода. В дальнейшем индукция будет изменяться по (1,2) и в следующем полупериоде все повторится, но при этом в насыщение будет входить другой сердечник. При насыщении сердечника индукция в нем не будет изменяться до конца полупериода.

Увеличение I_y вызывает увеличение постоянной составляющей индукции B₀ в сердечниках и поэтому насыщение в ФМС наступает раньше, а длительность периода насыщения в течении которого протекает ток нагрузки увеличивается. Это обуславливает изменение среднего значения тока I_н, т.е. выходного сигнала.

Характеристики МУ:

I. Установившийся режим:

А. Статическая характеристика

1 – идеальная

2 – реальная

Кривая 1:

- точка О – режим холостого хода (I_у = 0 и I_н = 0);

- участок ОВ – рабочий режим (0 < I_н £ I_нmax при 0 < I_у £ I_унас):

1) участок ОА – управляемый (0 < I_н < I_нmax при 0 < I_у < I_унас)

; ;

2) участок АВ – насыщения (I_н = I_нmax = const при I_у > I_унас)

Б. коэффициенты усиления:

– по току ;

– по напряжению ;

– по мощности ;

В. КПД ;

II. Переходный режим.

А. Дифференциальное уравнение ,

где , w - частота питающего напряжения.

Б. Передаточная функция ,

где - время запаздывания (время от начала подачи сигнала

до момента насыщения сердечника),

S_c – поперечная площадь сердечника.

МУ характеризуются также по величине «добротности», связывающей статические и динамические характеристики .

Т.к. h = const, следовательно, D = f(w).

Магнитные усилители с внешней обратной связью.

Дроссельные МУ, рассмотренные выше, имеют сравнительно небольшие коэффициенты усиления и достаточно инерционны. При образовании обратной связи в МУ используют выходной сигнал устройства для создания дополнительной постоянной составляющей магнитного поля, накладывающейся на магнитное поле входного сигнала.

В МУ различают внешнюю, внутреннюю и смешанные обратные связи.

Рассмотрим схему устройства с внешней ОС по току. Сигнал ОС, пропорциональный выходному току подается на отдельную обмотку w_ос. Создаваемая им МДС накладывается на МДС входного сигнала.

Т.е. I_нw_р ± I_yw_y = I_осw_ос (± - в зависимости от того положительная или отрицательная ОС)

При I_н = I_ос I_нw_р = I_уw_у ± I_нw_ос или I_н (w_р ± w_ос) = I_уw_у ;

Откуда , где .

На практике k_oc = 0,9 ¸ 0,97.

; ;

Когда отрицательной ОС, то в знаменателе данных выражений «+» и видно, что происходит уменьшение коэффициентов усиления. Когда же ПОС в знаменателе «–» и следовательно коэффициенты усиления увеличиваются. Увеличение может быть в 100¸900 раз.

Статическая характеристика данного МУ строится по статической МУ без обратной связи и прямой I_ос = f(I_н), которая проводится из начала координат под углом a = arctg k_oc.

Вначале, на статической характеристике МУ без обратной связи произвольно выбирается ряд точек А, В, С, Д, из которых проводятся прямые параллельные оси абсцисс и прямые параллельные прямой I_ос = f(I_н). Из точек пересечения последних с осью абсцисс восстанавливаются перпендикуляры до пересечения с прямыми параллельными данной оси. Точки их пересечения А^¢, В^¢, С^¢, Д^¢ и будут являться статической характеристикой МУ с ОС.

Как видно из графика достоинством данных усилителей является малое значение I_y, а недостатком большое значение тока холостого хода.

Магнитные усилители с внутренней обратной связью.

W_см – обмотка смещения.

По рабочим обмоткам МУ протекает однополупериодный выпрямленный ток. Благодаря наличию диодов проводящий полупериод, который называется рабочим, чередуется с непроводящим управляющим полупериодом, причем каждый изних для одного сердечника будет рабочий, а для другого управляющим. Токи в рабочих обмотках возникают только в рабочий полупериод. Постоянная составляющая тока, пропорциональная току нагрузки, образует магнитодвижущую силу, под действием которой сердечник будет намагничиваться, вступая в насыщение, тем самым создавая эффект положительной обратной связи. Статическая характеристика данного МУ будет выглядеть следующим образом:

1 – кривая МУ без обмотки смещения;

2 – кривая МУ с обмоткой смещения;

I_н - ток холостого хода; сd – рабочий участок.

Т.к. току управления I_y должен соответствовать минимальный выходной сигнал (I_н ), статическая характеристика может быть смещена (кривая 1). Для того, чтобы этого не происходило, и используется одна из обмоток управления, которая называется обмоткой смещения.