34. Магнитные элементы с прямоугольной петлей гистерезиса

Магнитные сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) (рис. 9.4, а) являются элементами релейного действия, так как ППГ имеет вид релейной характеристики (рис. 9.4, б). Ее можно сравнить с характеристикой поляризованного реле (см. рис. 6.2, б). Материал с ППГ может сколь угодно долго сохранять состояние остаточного магнетизма плюс B, или минус B, и обладает, таким образом, естественной памятью. При перемагничивании и плавном изменении напряженности поля H скачкообразно изменяется индукция B. Релейные свойства сердечника тем лучше, чем больше коэффициент прямоугольности петли β = βr/βm .

Рис. 9.4. Магнитный сердечник с ППГ и петля магнитного гистерезиса

Рис. 9.5. Импульсное перемагничивание сердечника с ППГ и диаграммы изменения параметров

Сердечник с ППГ изготавливают из ферритов или металлической ферромагнитной ленты. Из ферритов наибольшее применение имеют магниево-марганцевые ферриты (Mg – Mn), у которых коэффициент прямоугольности достигает значений 0,96-0,98.

Основным преимуществом ферритов является относительная простота процесса производства и малая стоимость. Размеры ферритовых сердечников находятся в пределах от долей до нескольких миллиметров. Для изготовления ленточных сердечников применяют ленты толщиной 1-10 мкм из железоникелевых сплавов. Их преимуществом является высокая температурная стабильность характеристик (диапазон температур от минус 60 до плюс 120°С).

Сердечники с ППГ работают в режиме импульсного перемагничивания. В этом случае на сердечнике располагаются обмотки записи wз, считывания wсч и выходная wвых (см. рис. 9.4, а). Ток записи iз, протекающий по обмотке записи, создает положительную напряженность поля и перемагничивает материал в состояние плюс Br, ток считывания iсr перемагничивает материал в состояние минус Br (рис. 9.5, а). В обмотки записи и считывания попеременно подаются прямоугольные импульсы тока, и происходит перемагничивание сердечника соответственно из состояния минус Br в состояние плюс Bm и из состояния плюс Br в состояние минус Bm (рис.9.5, а). При этом в обмотке wвых индуктируются выходные импульсы:

различающиеся амплитудой и полярностью. Импульсы большой амплитуды называют рабочими, а импульсы малой амплитуды, возникающие во время изменения индукции Bm→Br или Br→Bm, называют импульсами помехи.

Динамика процесса импульсного перемагничивания описывается уравнением, полученным в результате теоретических и экспериментальных исследований и определяющим скорость перемагничивания магнитного сердечника:

где rm – максимальное приведенное динамическое сопротивление сердечника, Ом/см; H0 – напряженность поля, необходимая для полного перемагничивания материала сердечника (H0 примерно равно Hc ).

Максимальная скорость изменения индукции наблюдается при B = 0 (см. рис. 9.4, б). Поэтому

Увеличение (9.2) определяет амплитуду выходного импульса [см. формулу (9.1)], которая линейно возрастает с увеличением напряженности намагничивающего поля.

Время переключения сердечника τ определяется из уравнения:

где Sw - коэффициент переключения, равный количеству электричества, необходимому для переключения сердечника из состояния Br в состояние Bm, отнесенного к единице длины силовой линии.

Для прямоугольных импульсов тока

откуда

т.е. быстродействие сердечника с ППГ линейно возрастает с увеличением напряженности намагничивающего поля.

Динамические параметры сердечников rm и Sw указываются в справочниках. Например, для феррита марки 1,3 ВТ:

Нс = 1,0 А/см; Вr = 23,5 Тл; ; Н0 = 1,4 А/см; rm = 215 Ом/см; Sw = 0,4 мкк/см..

Используя сердечники с ППГ, строят двоичные дискретные элементы, используемые в устройствах автоматики и вычислительной техники. Элемент (см. рис. 9.4, а) является двоичной запоминающей ячейкой, из которых состоят запоминающие устройства (ЗУ) вычислительных систем. Схема ЗУ для хранения четырехразрядного двоичного числа приведена на рис. 9.5, б.

При записи, например, числа 1010 в обмотки записи первой и третьей ячеек посылаются импульсы тока, и сердечники этих ячеек перемагничиваются в состояние плюс Br. Сердечники второй и четвертой ячеек сохраняют минус Br. При необходимости выборки данного числа из ЗУ в обмотки считывания ячеек, которые соединены последовательно, подается импульс тока. Сердечники первой и третьей ячеек перемагничиваются из состояния плюс Br в состояние минус Br. В их выходных обмотках индуцируются импульсы большой амплитуды. Это говорит о том, что первый и третий разряды двоичного числа равны 1. Выходные импульсы воспринимаются регистрирующими схемами.

Сердечники с ППГ используют также в феррит-диодных и феррит-транзисторных модулях. В феррит-транзисторном модуле (ФТМ) транзистор и ферритовое кольцо связываются (рис. 9.6, а) с помощью двух обмоток – базовой wб и коллекторной wк. В базовой обмотке при перемагничивании кольца индуцируется ЭДС, воздействующая на базовую цепь транзистора. Последний открывается при изменении индукции плюс Br→минус Bm (при считывании). Коллекторная обмотка образует положительную обратную связь. Она действует согласно с обмоткой считывания и способствует перемагничиванию кольца при открытии транзистора. ФТМ имеет по две обмотки записи и считывания и обмотку гашения, которая действует так же, как обмотка считывания, но имеет большее число витков. Выходом ФТМ является эмиттерная цепь транзистора. К выходу подключаются в качестве нагрузки обмотки других ФТМ.

Рис. 9.6. Схемы на феррит-транзисторных модулях

На ФТМ строят импульсные логические схемы (рис. 9.6, б, в, г). В этих схемах используются следующие условные обозначения: входящие стрелки обозначают входные обмотки, а выходящая стрелка – выход ФТМ; обмотки записи отмечаются цифрой 1 внутри круга, а обмотки считывания и гашения – цифрой 0; обмотки гашения выделяется двойной стрелкой. Импульсные схема на ФТМ требуют двухтактного питания, так как в обмотки записи и считывания импульсы тока должны поступать в разные моменты времени (такты). На рис 9.6 такты отмечены одним или двумя штрихами.

В схеме ИЛИ (см. рис. 9.6, б) двоичные переменные x1 и x2 подаются в обмотки записи в первом такте. Причем, если x = 1, то это означает наличие импульсов тока в обмотке, если x = 0 – их отсутствие. В обмотку считывания во втором такте поступает постоянное импульсное питание. Если хотя бы одна из переменных x1, x2 равна 1, в первом такте кольцо перемагничивается в состояние плюс Br, а во втором – в состояние минус Br. Транзистор открывается во втором такте, т.е. выходной сигнал равен 1.

В схеме И (см. рис. 9.6, в) транзисторы двух ФТМ соединены последовательно. Сигнал на выходе равен 1 только тогда, когда оба транзисторы открываются одновременно во втором такте. Для этого в первом такте необходимо перевести оба кольца в состояние плюс Br, т.е. x1 = 1 и x2 = 1.

В схеме НЕ (см. рис. 9.6, г) используется обмотка гашения, в которую поступает сигнал x. Если x = 0, то в первом такте приходит импульс тока в обмотку записи, во втором такте – в обмотку считывания, транзистор открывается и x = 1. Если x = 1, то в первом такте одновременно с импульсом тока в обмотку записи приходит импульс тока в обмотку гашения. Так как wr > wз, то кольцо сохраняет состояние минус Br (запись “гасится”). Во втором такте перемагничивания кольца не происходит, транзистор не открывается и, следовательно, x = 0.