магнитопровода и уменьшения ЭДС самоиндукции рабочей обмотки, увеличивается ток в нагрузке Iр. При этом небольшие изменения тока Iу вызывают значительные изменения рабочего тока. Следовательно, устройство работает как усилитель.
Следует отметить, что в действительности картина физических процессов несколько сложнее. В современных магнитных усилителях применяются магнитопроводы с прямоугольной кривой намагничивания. Они либо сразу размагничиваются, либо полностью насыщаются.
Поэтому перераспределение напряжения питания между рабочей обмоткой и нагрузкой происходит в течение каждого периода. Например, в течение четверти каждого периода напряжение питания приложено к нагрузке, а в течение 3/4 периода гасится на рабочей обмотке
(рис. 10.18).
Изменяя ток управления в обмотке ϖу, это распределение можно изменить увеличив или уменьшив часть периода, в течение которой напряжение приложено к нагрузке, а следовательно, увеличив или уменьшив (в среднем) ток в нагрузке.
Дроссельный магнитный усилитель сравнительно прост как по устройству, так и по принципу работы, однако его применение в системах автоматического регулирования ограничено, так как ему присущ ряд недостатков. Прежде всего отметим существенную нелинейность зависимости тока в нагрузке от тока управления (см. рис. 10.17). Так, при токе управления Iу=0 ток нагрузке Ip¹0. Этот нулевой ток I0 увеличивает погрешность регулирования и потери мощности. Другой недостаток дроссельного усилителя — сравнительно низкий коэффициент усиления. Кроме того, во многих случаях существенно и то, что дроссельный усилитель не реагирует на полярность сигнала управления. Эти недостатки устранены в более сложных схемах магнитных усилителей.
Карточка № 10.6 (159).
Принцип действия дроссельного магнитного усилителя
Как должны быть направлены в среднем |
Согласно |
|
|
|
19 |
||||
стержне |
магнитные потоки, |
создаваемые |
|
|
|
|
|
||
Встречно |
|
|
|
43 |
|||||
обмотками боковых стержней ϖр/2? |
|
|
|
|
|
|
|||
|
Это безразлично |
|
|
67 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
Что произойдет, если магнитные |
потоки |
Магнитный |
поток |
обмотки |
управления |
91 |
|||
боковых обмоток ϖр/2 будут складываться в |
увеличится |
|
|
|
|
||||
среднем стержне? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Магнитный |
поток |
обмотки |
управления |
115 |
||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
уменьшится |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
Энергия рабочей цепи передастся в цепь |
138 |
|||
|
|
|
|
|
управления |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Можно |
ли магнитный усилитель |
питать |
Можно |
|
|
|
158 |
||
постоянным током? |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Нельзя |
|
|
|
169 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Можно, если |
магнитопровод |
набрать из |
149 |
|
|
|
|
|
|
тонких листов электротехнической стали |
|
|||
Как изменится |
индуктивность |
рабочей |
Увеличится |
|
|
|
126 |
||
обмотки при увеличении тока в обмотке |
|
|
|
|
|
||||
Уменьшится |
|
|
|
102 |
|||||
управления? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Не изменится |
|
|
|
78 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||||
Как изменится ток в нагрузке дроссельного |
Увеличится |
|
|
|
54 |
||||
магнитного усилителя, если, не |
меняя |
|
|
|
|
|
|||
Уменьшится |
|
|
|
30 |
|||||
значения |
тока |
управления, |
изменить его |
|
|
|
|
|
|
Не изменится |
|
|
|
7 |
|||||
полярность? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
§10.7. Принцип действия трансформаторного магнитного усилителя
Схема трансформаторного магнитного усилителя изображена на рис. 10.19. Синусоидальное напряжение питания подводится к обмотке ϖ1 а нагрузка Zн включена в цепь специальной обмотки ϖ2.
Рис. 10.19. Схема трансформаторного магнитного |
Рис. 10.20. Рабочая характеристика трансформаторного |
усилителя |
магнитного усилителя |
Пока сердечник не насыщен, синусоидальный ток, проходящий по обмотке ϖ1, вызывает значительные изменения магнитного потока в магнитопроводе. Переменный магнитный поток, пронизывая витки обмотки ϖ2, наводит в этой обмотке ЭДС, которая используется для питания нагрузки Zн Чем больше скорость изменения магнитного потока, тем больше наведенная ЭДС и ток в нагрузке.
Когда происходит насыщение магнитопровода, скорость изменения магнитного потока резко уменьшается (см. § 10.6), ЭДС, индуцируемая во вторичной обмотке ш2, становится небольшой, соответственно уменьшается и ток в нагрузке.
Рабочая характеристика трансформаторного магнитного усилителя (зависимость рабочего тока от тока управления) изображена на рис. 10.20. Видно, что с увеличением тока управления Iу ток в нагрузке Iр уменьшается.
Нетрудно заметить, что рабочие характеристики дроссельного и трансформаторного усилителей являются как бы зеркальным отображением друг друга. Это объясняется тем, что ЭДС, индуцируемая в цепи нагрузки, в одном случае играет роль «заслонки», в другом — источника питания нагрузки.
Карточка № 10.7 (115).
Принцип действия трансформаторного магнитного усилителя
Как |
изменится |
переменный |
магнитный |
поток |
Увеличится |
|
18 |
|||||
трансформаторного |
усилителя |
при |
увеличении |
|
|
|
||||||
Уменьшится |
|
42 |
||||||||||
постоянного магнитного потока управления? |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Не изменится |
|
66 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Почему |
обмотки |
управления и |
питания |
магнитного |
По |
конструктивным |
90 |
|||||
усилителя |
размещены |
на |
разных |
|
стержнях |
соображениям |
|
|
||||
магнитопровода? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
Чтобы |
исключить |
передачу |
114 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
энергии из цепи питания в цепь |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
управления |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Почему |
магнитопровод трансформаторного |
магнитного |
По |
конструктивным |
137 |
|||||||
усилителя (как и дроссельного) набирается из тонких |
соображениям |
|
|
|||||||||
листов? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для увеличения рабочего тока |
157 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для |
уменьшения |
тепловых |
150 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
потерь |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Как изменится ЭДС во вторичной обмотке ϖ2 при |
Увеличится |
|
127 |
|||||||||
увеличении постоянного тока в обмотке управления? |
|
|
|
|||||||||
Уменьшится |
|
103 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Не изменится |
|
79 |
|
|
|
|
|
|
||||||||
Как изменится ток в нагрузке |
трансформаторного |
Увеличится |
|
55 |
||||||||
магнитного усилителя, если изменить полярность тока |
|
|
|
|||||||||
Уменьшится |
|
31 |
||||||||||
управления, не меняя его значения? |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
Не изменится |
|
6 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
§10.8. Влияние обратной связи на коэффициент усиления магнитного усилителя
Для характеристики усилительных свойств вводят коэффициенты усиления по току k1, по напряжению kU, по мощности kp. Коэффициентом усиления магнитного усилителя по току
называют отношение изменения действующего значения рабочего тока к соответствующему изменению тока управления (полагаем Iн=Iр):
k1= Iр/ Iу.
Аналогично, |
|
kU= Uр/ Uу; |
, kp= Pр/ Pу |
где Uр—напряжение на нагрузке; Uy |
— управляющее напряжение; Рp—мощность, |
выделяемая в нагрузке; Ру—мощность, потребляемая цепью управления.
Для магнитных усилителей справедливо (с достаточной степенью точности) следующее равенство:
Iрϖр= Iуϖу.
С учетом этого равенства выражение для коэффициента усиления по току можно представить в виде
k1=ϖу/ϖр.
Коэффициент усиления по току магнитных усилителей, собранных по схемам, изображенным ранее, составляет несколько десятков единиц.
Приведенные формулы показывают, что коэффициенты усиления магнитного усилителя теоретически не зависят, а практически очень мало зависят от колебаний напряжения, частоты источника питания и изменений сопротивления нагрузки.
Такая стабильность характеристик позволяет использовать в магнитном усилителе глубокую положительную обратную связь.
Обратной связью называют подачу сигнала с выхода усилителя на его вход. В магнитных усилителях наибольшее распространение получила обратная связь по току (рис. 10.21).
Рис. 10.21. Схема дроссельного магнитного усилителя с
обратной связью
Обмотка обратной связи ш0с намотана на том же стержне, что и обмотка управления. Если магнитный поток обмотки обратной связи усиливает магнитный поток обмотки управления, то обратная связь называется положительной, в противном случае — отрицательной. Изменить характер обратной связи можно поменяв полярность управляющего напряжения.
При наличии положительной обратной связи уравнение магнитного усилителя принимает
вид
Ipϖp=Iyϖy+ Ipϖос
Отношение koc=ϖoс/ϖp называют коэффициентом обратной связи. При этом
|
I ϖ |
|
|
Iу |
ϖ y |
|
|
|
|
|
|
|
I p = |
|
= |
ϖ |
p |
= |
|
I |
k |
I |
|||
у y |
|
|
|
|
у |
|
||||||
ϖ −ϖ |
|
|
ϖос |
|
1− k |
|||||||
|
p |
ос |
1− |
ϖ p |
|
|
|
|
ос |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Коэффициент усиления по току усилителя с обратной связью
kосI |
= |
I p |
= |
|
kI |
|
Iy |
1− kос |
|||||
|
|
|
||||
Если kос→1, т. е. число витков обмотки обратной связи приближается к числу витков рабочей обмотки, то коэффициент усиления усилителя с обратной связью увеличивается и стремится к бесконечности. Это значит, что бесконечно малым изменениям тока управления соответствуют конечные (скачкообразные) изменения рабочего тока.
Обычно kос≤0,99, так как при слишком большом коэффициенте усиления нарушается стабильность параметров усилителя. Кроме того, положительная обратная связь увеличивает рабочий ток при отсутствии тока в управляющей обмотке I0 в 1/(1—kос) раз.
Уже отмечалось, что при изменении полярности управляющего сигнала положительная обратная связь становится отрицательной. Вследствие этого характеристика усилителя с обратной связью приобретает несимметричную форму. Действительно, при отрицательной обратной связи
уравнение магнитного усилителя и выражение для коэффициента усиления по току записываются в следующем виде:
I pϖ p = Iyϖ y − I pϖ ос ; |
kocI |
= |
|
|
kI |
= |
I p |
|
1 |
+ kос |
Iy |
||||||
|
|
|
|
|||||
Рис. 10.22. Рабочая характеристика дроссельного |
|
Рис. 10.23. Схема магнитного усилителя с |
||||||||||
магнитного усилителя с обратной связью |
|
|
|
|
|
|
самонасыщением |
|||||
Из рис. 10.22 видно, что коэффициент усиления по току можно представить как тангенс |
||||||||||||
угла наклона линейного участка к оси абсцисс. При этом |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
I′ |
kI |
|
|
|
I′′ |
|
|
kI |
|
|
|
tgα = |
p |
= |
|
; |
tgβ = |
p |
= |
|
|
|
||
|
1− k |
|
I′′ |
1+ k |
|
|
||||||
|
I′ |
ос |
|
|
|
ос |
||||||
|
y |
|
|
|
y |
|
|
|
||||
Поскольку из последних выражений следует, что tgα>tgβ, то ясно, что правая ветвь характеристики магнитного усилителя идет круче, чем левая, как это и изображено на рисунке.
Отличительная особенность схемы магнитного усилителя с внешней обратной связью — наличие специальной обмотки обратной связи ϖос. В технике находят широкое применение усилители с внутренней положительной обратной связью, которые иногда называют усилителями с самонасыщением (рис. 10.23). Здесь функцию обмотки обратной связи выполняет сама рабочая обмотка, в которой с помощью выпрямительных диодов создается постоянная составляющая рабочего тока, магнитный поток которой совпадает по направлению с магнитным потоком управления и «помогает» ему изменять состояние магнитопровода.