14. Магнитные усилители

Принцип действия МУ основан на использовании явления насыщения ферромагнитных материалов в магнитном поле.

а) б)

Рисунок 47 – Простейший дроссельный однотактный магнитный усилитель

а – зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н; б – схема усилителя

Входной цепью МУ (рисунок 47) является обмотка управления W_y, а выходной – рабочая обмотка W_p с последовательно включенным сопротивлением нагрузки R_н. Выходное напряжение U_вых снимается с нагрузки R_н.

Если ток в рабочей цепи I_~ синусоидален, то он находится по формуле:

, (70)

где U_~ – напряжение питания МУ;

R – полное активное сопротивление рабочей цепи;

х_р – индуктивное сопротивление рабочей обмотки.

, (71)

где R_p – активное сопротивление рабочей обмотки;

L_p – индуктивность рабочей обмотки;

– угловая частота питающей сети;

W_p – число витков рабочей обмотки;

S_c – площадь поперечного сечения ферромагнитного сердечника;

– длина средней магнитной линии сердечника;

– магнитная проницаемость сердечника.

Для магнитных усилителей выбирается ферромагнетик с большой и малой коэрцитивной силой H_c, например, пермаллой. Такой магнитный материал имеет максимально возможную чувствительность к слабым изменениям магнитного поля. Вследствие нелинейности характеристики B = f (H) малое изменение H, связанное с постоянным током обмотки управления Wy, приводит к резкому увеличению B и уменьшению , что ведет к значительному уменьшению L_p и . Наблюдается резкое увеличение тока I_~ в рабочей цепи.

Однотактные магнитные усилители относятся к нереверсивным: полярность выходного сигнала не зависит от полярности входного сигнала. Нагрузка R_н может быть включена последовательно или параллельно в сеть рабочей обмотки W_p. В первом случае МУ называют дроссельными, во втором – трансформаторными. Наиболее эффективным является построение МУ на двух одинаковых сердечниках.

а) б)

в)

Рисунок 48 – Однотактные МУ с параллельным (а) и последовательным (б) включением нагрузки и их статические характеристики (в)

Основной характеристикой МУ является статическая характеристика:

I_н = f(I_y), (72)

где I_н– ток нагрузки,

I_y– ток управления.

Характеристика идеального МУ без обратной связи и смещения показан на рисунке 2. Для реального МУ ток холостого хода (I_н при I_y=0) отличен от нуля.

Коэффициенты усиления по току k_I, напряжению k_U, мощности k_Р находятся экспериментально по статическим характеристикам и теоретически по соотношениям:

(73)

(74)

, (75)

где Δ определяет малые приращения входных и выходных величин.

На характеристики I_н = f(I_y) значительно влияют начальное смещение (подмагничивание) и обратные связи. Начальное смещение вводится для того, чтобы увеличить коэффициент усиления для малых входных сигналов и выводе рабочей точки на линейный участок статической характеристики (рисунок 49).

Обратные связи могут быть положительными и отрицательными, внешними и внутренними. Внутренняя обратная связь организуется включением выпрямителя в рабочую обмотку W_p, поэтому число витков обмотки обратной связи W_oc=W_p и коэффициент обратной связи k_oc ≤ 1. Рабочая обмотка W_p дополнительно выполняет функции обмотки обратной связи W_oc. Схема однотактных МУ с внутренней обратной связью показана на рисунке 50, а статические характеристики – на рисунке 51.

а)

б)

Рисунок 49 – Дроссельный МУ: а – схема; б – статические характеристики

а) б)

Рисунок 50 – Однотактные МУ с внутренней обратной связью:

с выходом на переменном токе (а); с выходом на постоянном токе (б)

Рисунок 51 – Статические характеристики МУ с внутренней ОС

Схема МУ с внешней обратной связью может обеспечить любое значение k_oc за счет соответствующего выбора числа витков W_oc. Одна из схем показана на рисунке 52.

В этом случае коэффициенты усиления равны:

(76)

Рисунок 52 – МУ с внешней обратной связью

(77)

, (78)

где знак “–” соответствует положительной, а “+”– отрицательной обратной связи.

(79)

где .

Использование смешанной обратной связи, объединяющей внутреннюю и внешнюю обратные связи может привести релейным характеристикам (рисунок 53).

Рисунок 53 – Релейные характеристики МУ

Релейная характеристика в первом квадранте соответствует нормально разомкнутым, а во втором – нормально замкнутым контактам реле.

Инерционность МУ характеризуется постоянной времени τ.

, (80)

где – коэффициент полезного действия цепи переменного тока усилителя;

– частота питающей сети;

– индуктивность обмотки управления.

Для снижения инерционности используют введение положительной обратной связи при условии , замену однокаскадного МУ многокаскадным, шунтирование диодов внутренней обратной связи переменными сопротивлениями и другие методы.

Передаточная функция W(p) магнитного усилителя определяет его как апериодическое звено первого порядка:

, (81)

где p – оператор Лапласа.