книги из ГПНТБ / Кузьмич, В. И. Основы импульсной техники учебник

выходной сигнал и т. д.). Трансформатор, а точнее его сердеч­ ник, выполняет главную роль — хранит двоичную информа­ цию.

Магнитные двоичные ячейки, построенные на трансформа­ торах и диодах, называются ферродиодными ячейками (ФДЯ), а построенные на трансформаторах и транзисторах — ферро­ транзисторными ячейками (ФТЯ).

2. Некоторые сведения о форме и материале сердечников с ППГ

Сердечники трансформаторов, на которых строятся МДЯ, обычно выполняются в виде тороида (кольца). Сердечники кольцевой формы не имеют магнитных полюсов, что обуслов­ ливает практически полное отсутствие потоков рассеяния. Се­ чение такого сердечника и его геометрические размеры пока­

заны на рис. 15.1.

Материалом сердечника мо­ жет быть ферромагнитный ме­ талл или сплав, а также фер­ рит. Ферриты представляют со­ бой комплексные окислы ме­ таллов. Они обладают малой удельной проводимостью, что определяет незначительные по­ тери на вихревые токи. Однако магнитные параметры всех ферритовых сердечников в зна­ чительно большей степени под­ вержены температурным воз­ действиям, чем параметры ме­

таллических сердечников. Это объясняется тем, что точка Кю­ ри металлических сердечников в несколько раз выше, чем ферритовых.

Металлы и их сплавы имеют высокую удельную проводи­ мость. Поэтому для уменьшения потерь на вихровые токи ме­ таллические сердечники навиваются из тонкой (в несколько микрон) ленты. Витые ленточные сердечники часто называют­ ся микронными. Стоимость микронных сердечников значи­ тельно выше, чем ферритовых. Применение металлических сер­ дечников оправдывается лишь в тех случаях, когда феррито­ вые сердечники по температурным соображениям использова­ ны быть не могут.

444

3. Общие сведения о магнитных параметрах сердечников с ППГ

Магнитные свойства ферромагнитных сердечников харак­ теризуются статическими и динамическими параметрами.

Статические параметры определяют магнитное состояние сердечника при медленном по сравнению с переходными про­ цессами изменении внешнего поля, т. е. в постоянных или ква­ зипостоянных полях (в полях с

Динамические параметры характеризуют переходные про­ цессы в сердечнике при импульсном воздействии внешнего по­ ля.

Если внешнее поле изменяется скачком, т. е. устанавлива­ ется практически мгновенно на уровне Н т, что имеет место в

мдя, то скорость изменения индукции dВ будет определять­

ся свойствами сердечника и величиной Нт.

4. Статические параметры сердечников

Статические параметры определяются предельной статиче­ ской петлей гистерезиса материала сердечника B = f(H) (рис. 15.2) *. К ним относятся: коэрцитивная сила Нс, оста­ точная магнитная индукция Вг и коэффициент прямоугольности К.

Точки пересечения петли гистерезиса с осью В определяют остаточную индукцию -+ Вг ( — Вг), которая представляет со­ бой индукцию в предварительно намагниченном до насыщения материале сердечника при напряженности внешнего поля, рав­ ном нулю.

определяется зависимостью между средним значением индукции в сечении сердечника и напряженность«? поля на его средней линии.

-Но

Точки пересечения петли гистерезиса с осью Я характери­ зуют коэрцитивную силу, т. е. такое значение напряженности пиля -f- Нс ( — Нс), при которой магнитная индукция в мате­

риале сердечника равна нулю. В Коэффициент прямоугольно-

сти определяется отношением остаточной магнитной индукции Вг к магнитной индукции на­ сыщения В т, т. е.

практически считается прямо­ угольной, если К > 0,85. Луч­ шие материалы с ППГ имеют

К = 0,93 -f 0,96.

Прежде чем ввести динами­

ческие параметры, рассмотрим тным состоянием сердечника и физические процессы в медленных и быстрых магнитных полях.

5. Управление магнитным состоянием сердечника у- физические процессы в медленных и быстрых магнитных полях

Как было отмечено выше, при отсутствии намагничиваю­ щего поля материал сердечника может находиться в одном из двух возможных устойчивых состояний намагничивания, со­ ответствующих значениям остаточной индукции — Вг и — Вг. Перевод материала сердечника из одного состояния в другое осуществляется путем создания в сердечнике намагничиваю­ щего поля Я соответствующей полярности. Это поле создается с помощью тока, подаваемого в обмотки.

Возможные варианты расположения обмоток на сердечни­ ке и условное обозначение трансформатора на схемах показа­ ны на рис. 15.3. Обмотка в виде центрального проводника (рис. 15.3,а) практически равноценна одному витку сосредо­ точенной (рис. 15.3,6) или распределенной (рис. 15.3, о) обмо­ ток.

446

Одноименные отводы обмоток трансформатора, которые принято считать началами обмоток, обозначаются на схемах точками (рис. 15.3, г). Считается, что при поступлении тока в отвод обмотки, обозначенный точкой, вокруг проводника и в сердечнике создается поле положительного знака. Для созда­ ния отрицательного поля ток должен быть направлен в отвод обмотки, не обозначенный точкой.

Рис. 15.3

Рассмотрим последовательно процессы перемагничивання сердечника при очень медленном и быстром изменениях тока обмотки трансформатора. Положим, что материал сердечника имеет идеальную прямоугольную петлю гистерезиса и находит­ ся в состоянии намагниченности, соответствующей — Вг (сплошная линия на рис. 15.4, а).

Если через центральный проводник аа (рис. 15.4,6) про­ пускать ток і, то в окружающем проводник пространстве воз­ никает магнитное поле. Согласно закону полного тока, напря­ женность поля в точке, удаленной на расстояние х от оси про­ водника, определится выражением

На рис. 15.4,в приведено распределение поля в централь­ ном сечении сердечника для нескольких значений і. Согласно выражению (15.1), поле имеет гиперболическое распределение.

Нетрудно заметить, что распределение поля в сечении сер­ дечника не является равномерным. На внутренний цилиндри­ ческий слой кольца, расположенный на расстоянии | х | = г, действует большее поле, чем на наружный слой, отстоящий от

4 4 7

tie изменится, так как на все слон сердечника действует внеш­

S)

Рис. 15.4

Дальнейшее увеличение тока і от І\ до /г приводит к по­ следовательному послойному перемагничиванию материала сердечника. Когда поле достигает распределения Нх2 (кри­ вые 2' и 2, рис. 15.4, в), перемагничивается последний внешний цилиндрический слой сердечника и весь ферромагнитный ма­ териал оказываются в состоянии 4- Вг. Следовательно, перемагничивание сердечника начинается при меньшем токе, а за­ канчивается при большем.

Таким образом, характер перемагничивания сердечника от­ личается от характера перемагничивания цилиндрических сло­ ев.

448

Сердечник перемагничивается в процессе изменения поля от / / ѵ, до //,.,, получая последовательные приращения индукции от —Вг до -г-Вг в каждом слое. Статическая петля гистере­ зиса сердечника может быть описана зависимостью

где

Вер — среднее значение индукции в сечении сердечника; Нср— значение напряженности внешнего поля в централь­

ном слое сердечника при

(15.2), будет иметь вид, показанный на рис. 15.4, а пунктирной линией. Величины /Уд и Нб характеризуют значения поля, действующего в центральном слое сердечника, при которых соответственно начинается и заканчивается перемагничивание материала сердечника (рис. 15.4,в).

Таким образом, статическая петля гистерезиса сердечника отличается от аналогичной петли материала наклоном боко­ вых ветвей. Наклон ветвей определяется неравномерностью поля в сечении сердечника и возрастает с увеличением толщи­ ны стенки сердечника Д, но значения статических парамет­ ров К, Вг и Нс для материала и сердечника совпадают.

Теперь допустим, что в центральный проводник аа подается перемагничивающий импульс тока прямоугольной формы с амплитудой / и длительностью t„ (рис. 15.5, а ). Согласно урав­ нению (15.1), в сечении сердечника мгновенно установится рас­ пределение поля

которое показано на рис. 15.5,6 и выбрано таким, чтобы на на­ ружный кольцевой слой сердечника действовало поле H r , превышающее коэрцитивную силу Нс (рис. 15.5,6), Посколь­ ку во всех слоях сердечника внешнее поле превышает Нс, то вся масса сердечника начнет перемагничиваться одновремен­ но. Однако различие в величине поля, действующего на внут­ ренние и наружные слои, обусловит неодинаковую скорость перемагничивания этих слоев.

Таким образом, время перемагничивания всей массы сер­ дечника зависит как от свойства материала, так и от величины II степени неравномерности поля в сечении сердечника.

Для оценки импульсных свойств различных ферромагнит­ ных материалов экспериментально снимаются зависимости об-

1

ратной величины времени перемагничивания -г- от величины

^П

внешнего поля Нср в центральном слое. На рис. 15.6 приведен график такой зависимости.

ка: участок 1—2 — криволинейный и участок 2—3 — линей­ ный.

Па участке 1—2 при сравнительно небольших полях, дей­ ствующих в центральном слое сердечника, когда Hr незначи­ тельно превышает Нс, перемагничивание всей массы сердеч­ ника замедляется вследствие малой скорости перемагничива­ ния наружных слоев.

450

С ростом интенсивности поля в центральном слое разница между Н г и На (рис. 15.5,6) в меньшей степени оказывает влияние на скорость перемагничивания сердечника в целом, так как время перемагничивания внутренних и наружных сло­ ев становится приблизительно одинаковым. Это и определяет линейность участка 2—3.

Участки / —2 и 2—3 характеризуют соответственно относи­ тельно медленное и быстрое перемагничивание сердечника.

Экспериментальная зависимость 4 - = ®(Нср) полностью

характеризует импульсные свойства ферромагнитного сердеч­ ника данной марки материала и геометрии. Необходимо отме­ тить, что сердечники одной и той же марки, но с различной толщиной стенки, ввиду неравномерности поля в сечении бу­ дет иметь разные динамические свойства.

В инженерной практике при проектировании быстродей­ ствующих устройств обычно используется режим быстрого перемагничнваиия сердечников, а импульсные свойства оценива-

1

ются но линейному участку зависимости — .

*11

Г>. Динамические параметры сердечника

Для введения динамических параметров линейный учас­

ния или «пороговым» («стартовым») полем.

Коэффициент Sw «= arct<r * характеризует наклон линей­

ного участка кривой -у- к оси Нср и называется коэффициен-

том переключения, Чем меньшее Sw, тем больше при данном

451

значении Нср величина -у- , т. е. быстрее происходит перемаг-

ничивание (переключение) сердечника.

В справочных таблицах обычно приведены значения Н0 и Sw, усредненные для различных размеров сердечников одного и того же материала. Однако следует иметь в виду, что сердеч­

сечении таких сердечников будет более равномерным.

7.Время переключения сердечника

Винженерной практике динамические параметры исполь­ зуются для расчета времени переключения сердечника. Время переключения tn сердечника определяется, согласно уравне­ нию (15.4), в следующем виде:

(Здесь и в дальнейшем для сокращения записи примем

Яср = Н).

Всамом общем случае, когда импульс тока і пропускается через W витков обмотки, среднее значение поля, согласно фор­ муле (15.3), будет определяться выражением

учесть, что это выражение правильно описывает процесс пере­

ключения лишь на линейном участке кривой -г- (рис. 15.6),

когда внешнее поле превосходит Н0. Практически для всех типов сердечников можно принять нижний предел внешнего

Для реальных сердечников это время лежит в пределах от еди­ ниц до десятков микросекунд.

452

С ростом величины внешнего поля, как это видно из фор­ мулы (15.5), время переключения сердечника уменьшается. В практических расчетах верхняя граница іюля ограничивается соображениями электрической экономичности и допустимым разогревом феррита в результате рассеяния энергии. При этом минимальное время переключения сердечников обычно состав­ ляет величину не менее 0,5 ! 1 мкс.

На практике допускается отклонение формы переключаю­ щего импульса тока от прямоугольной. Экспериментально до­

/. < ---- is---- -

1.5-;-2

При выполнении этого условия характер перемагничивання практически не зависит' от фронта импульса тока, а определя­ ется лишь величиной поля и магнитными свойствами материа­ ла сердечника.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Как и почему изменится статическая петля гистерезиса ферромагнитного сердечника, изготовленного из материала с идеальной ППГ, если увеличить толщину стенки А (рис. 15.1)?

2.Назовите основные динамические параметры ферромаг­ нитных сердечников с ППГ. Поясните влияние геометрических размеров сердечника на динамические параметры.

3.Какой из двух сердечников будет иметь большее время перемагничивання tn, если статические параметры сердечни­

ков одинаковы, /ср1 = Gp2* а Aj > Д2?

§ 15.2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МДЯ

Как отмечалось выше, МДЯ могут быть построены на трансформаторах и полупроводниковых приборах. Во всех случаях магнитный сердечник трансформатора в МДЯ играет роль запоминающего элемента, а полупроводниковые приборы выполняют вспомогательные функции.

Рассмотрим самые общие принципы построения МДЯ. На рис. 15.7, а приведена упрощенная схема МДЯ, состоя­

щая из трехобмоточного трансформатора Тр и дополнитель­ ных элементов К. Условное изображение этой схемы приве­

дено на рис. 15.7, б.

Будем полагать, что в отсутствие намагничивающего поля (когда отсутствуют токи в обмотках) сердечник трансформа-

453