2.8. Магнитные усилители

Магнитные усилители применяются в промышленной элект­ронике для регулирования мощности, используемой в той или иной нагрузке или системе. Магнитные усилители могут управ­лять большими мощностями при управляющих сигналах очень малой мощности. Они отличаются от обычных НЧ- и УВЧ-уси­лителей тем, что в них вместо транзисторных элементов ис­пользуется специальный дроссель, называемый насыщающимся дросселем, который снабжен специальными обмотками, позво­ляющими регулировать выходную мощность. Магнитные уси­лители могут изготавливаться на значительные .мощности. Они отличаются большим сроком службы, высокой прочностью и простотой конструкции. Их основные недостатки немногочис­ленны: узкая полоса пропускания и высокий уровень нелиней­ных искажений. Однако для усиления звуковых сигналов маг­нитные усилители не применяют, а для усиления мощности эти недостатки не существенны.

Рис. 2.8, а поясняет принцип работы магнитного усилителя. В усилителе используется трехстержневой ,(Ш-образный) сер­дечник, подобный применяемым в стандартных трансформато­рах. Сердечник изготовляется из магнитного материала, имею­щего прямоугольную (Петлю гистерезиса (штриховая линия на рис. 2.8,6).

Магнитная проницаемость материала сердечника не являет­ся фиксированной величиной, а зависит от величины магнитной индукции (соответствующая кривая приведена на рис. 2.8, б). Заметим, что магнитная проницаемость, имеющая малую вели­чину при нулевом значении напряженности магнитного поля, вначале нарастает с увеличением напряженности намагничи­вающего поля и достигает максимальной величины при неко­тором среднем уровне напряженности магнитного поля непо­средственно леред переходом сердечника в насыщенное состоя­ние. При дальнейшем увеличении напряженности намагничи­вающего поля магнитная проницаемость уменьшается до весь­ма малой величины.

Поскольку поток магнитной индукции пропорционален маг­нитной проницаемости, индуктивность катушки уменьшается по тому же закону, что и магнитная проницаемость. Поэтому при достижении насыщения .индуктивность резко уменьшается. Это

Следует из выражения для индуктивности катушки

(2.7)

где L — индуктивность, Г;

N — число витков катушки, сцепленных с магнитным пото­ком;

Ф — поток магнитной индукции, Вб; I — намагничивающий ток, А.

Как видно из уравнения (2.7), индуктивность прямо пропор-циональна произведению числа витков катушки на поток маг­нитной индукции, воздействующий на эти витки. Поэтому, по-скольку при изменении магнитной проницаемости меняется по­ток магнитной индукции, меняется соответственно и индуктив­ность.

В магнитном усилителе, показанном на рис. 2.8, а, можно изменять величину магнитной проницаемости сердечника при помощи управляющей обмотки L₃. Эта обмотка имеет большое число витков, что позволяет менять степень насыщения сердеч­ника.

Рис. 2.8. Типичная схема магнитного усилителя (а) и зависимость магнитной индукции и магнитной проницаемости материала сердечника от напряженно­сти магнитного поля (б).

При этом также изменяются индуктивности обмоток L₁ и L₂- Так как эти обмотки включены в цепь источника переменного напряжения последовательно с нагрузочным сопротив­лением Rн, то выделяемая на нагрузке мощность может непо­средственно управляться уровнем насыщения, устанавливае­мым подмагничивающим током, протекающим через обмотку L₃. Если управляющее напряжение, определяющее величину этого тока, возрастает, то сердечник приближается к состоя­нию насыщения и магнитная проницаемость уменьшается. При уменьшении магнитной проницаемости индуктивности обмоток L₁ и L₂ также уменьшаются. Так как реактивное сопротивле­ние этих обмоток зависит от индуктивности (X_L = 6,28fL), то мощность, отдаваемая в нагрузку, также меняется. Это проис­ходит (Потому, что при изменении индуктивности (а значит, и индуктивного сопротивления) меняется сдвиг фаз между током и напряжением; следовательно, изменяется и мощность в нагрузке:

P = EIcosФ. (2.8)

Если индуктивности обмоток L₁ и L₂ равны нулю, то сдвиг фаз между током в нагрузочном сопротивлении и напряжением также равен нулю. При этом cosФ = 1, и полная мощность ис­точника выделяется в нагрузке. При индуктивности же, отлич­ной от нуля, cosФ<l и мощность в нагрузке соответственно уменьшается.

Управляющая обмотка L₃ намотана на среднем стержне сердечника, а катушки L₁ и L₂ расположены таким образом, что их суммарный магнитный поток в этом керне равен нулю, и поэтому они не индуцируют э. д. .с. в управляющей обмотке. Изменение направления управляющего тока в обмотке L₃ не приводит к изменению напряжения на нагрузке, так как при любом направлении тока магнитный поток L₃ усиливает маг­нитный поток одной обмотки и ослабляет магнитный поток другой. Однако сила тока управляющей обмотки регулирует напряженность магнитного поля, прикладываемого к сердечни­ку, и, следовательно, влияет на величину магнитной индукции в сердечнике.