Раздел IV

МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ И

МОДУЛЯТОРЫ

Глава 22

МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ БЕЗ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

§ 22.1. Физические основы работы магнитных усилителей

Работа магнитных усилителей основана на использовании свойств ферромагнитных материалов. Эти свойства известны из курса физи­ки. Если по обмотке, расположенной на сердечнике из ферромаг­нитного материала, проходит электрический ток, то в сердечнике возникает магнитное поле. Это магнитное поле в сердечнике харак­теризуется напряженностью Н и магнитной индукцией В. Напря­женность магнитного поля Я создается током, проходящим по об­мотке, и выражается в амперах на метр (А/и). Магнитная индукция В увеличивается при возрастании напряженности Н и выражается в теслах (Тл). Кривая, характеризующая зависимость магнитной ин­дукции В от напряженности магнитного поля Я, называется кривой намагничивания ферромагнитного материала {рис. 22.1).

Начиная с некоторого значения напря­женности магнитного поля дальнейшее ее увеличение практически не приводит к из­менению магнитной индукции. В этом случае говорят, что магнитный материал достиг состояния насыщения. Максималь­ная индукция в сердечнике называется ин­дукцией насыщения B_s, напряженность поля при этом равна H_f

Если далее уменьшать напряженность поля, то изменение магнитной индукции происходит по новой кривой (кривая 2). Индукция при этом уменьшается медлен­нее, чем она возрастала при увеличении Н

от 0 до H_s (кривая /). При уменьшении напряженности магнитного поля до нуля (т. е. при отсутствии тока в обмотке) индукция в сер­дечнике сохраняет значение Д, называемое остаточной индукцией. При увеличении напряженности магнитного поля в обратном на­правлении (т. е. при изменении направления тока в обмотке) ин­дукция уменьшается до нуля при напряженности -Н_с, которая носит название коэрцитивной силы. Затем при значении напряженно­сти -H_s сердечник снова насыщается, индукция в нем будет рав­на -B_s. Теперь при изменении

напряженности от -H_s до +H_S измене­ние индукции происходит по кривой 3. Таким образом, изменение индукции в зависимости от напряженности поля происходит по графику, имеющему вид петли, называемой петлей гистерезиса. Как видим, зависимость В(Н) имеет явно выраженный нелинейный ха­рактер.

В зависимости от ширины петли гистерезиса различают магни-томягкие и магнитотвердые материалы. Материалы с широкой пет­лей гистерезиса называются магнитотвердыми, они используются для постоянных магнитов. Материалы с узкой петлей гистерезиса называются магнитомягкими, они используются для сердечников магнитных усилителей и других электромагнитных устройств: реле, трансформаторов, электрических машин. Для пояснения принципа действия магнитного усилителя можно пренебречь петлей гистере­зиса и считать, что изменение магнитной индукции в зависимости от напряженности происходит по средней (основной) кривой

на­магничивания (кривая / на рис. 22.1).

Рассмотрим процессы, происходящие в сердечнике, если к об­мотке (рис. 22.2) приложено синусоидальное напряжение и = U_M sin со/, где и — мгновенное значение напряжения; £/_м — мак­симальное (амплитудное) значение напряжения; ю — угловая часто­та;

t — текущее значение времени.

Под действием этого напряжения по об­мотке пойдет ток /, а в сердечнике происхопроисхо­дит изменение магнитной индукции В и на­пряженности магнитного поля Я.

Связь между электрическими и магнит­ными величинами определяется на основании закона полного тока и закона электромагнит­ной индукции. Согласно закону полногс тока, напряженность магнитного поля Я е сердечнике пропорциональна току i в обмотке и обратно пропорциональна средней длине сердечника.

Согласно закону электромагнитной индукции, при изменении магнитной индукции (магнитного потока Ф) в обмотке индуктиру­ется электродвижущая сила (ЭДС) е, которая пропорциональна чис­лу витков обмотки w и скорости изменения магнитного потока Ф.

Так как магнитный поток равен произведению магнитной ин­дукции В на сечение сердечника 5, то

Знак минус означает, что ЭДС е направлена навстречу напряже­нию и, вызывающему появление магнитного потока, т. е. противо­действует причине, вызвавшей ее появление — изменению магнит­ного потока (правило Ленца).

Приложенное к обмотке переменное напряжение м уравновеши­вается падением напряжения на активном сопротивлении обмотки г и значением ЭДС е:

где В_й — постоянная интегрирования, представляющая собой посто­янную составляющую магнитной индукции. Д, определяется нача­льным магнитным состоянием сердечника (при отсутствии подмаг-ничивания сердечника постоянным магнитным полем 5₀ = 0).

Амплитудное (максимальное) значение переменной составляю­щей индукции равно

Анализ уравнения (22.2) позволяет сделать важный вывод: амп­литуда магнитной индукции В_н не зависит от магнитных свойств сердечника и постоянной составляющей магнитной индукции и од­нозначно определяется амплитудой приложенного к обмотке пере­менного напряжения. В зависимости от магнитных свойств сердеч­ника и первоначального подмагничивания В_й изменяется не ампли­туда переменной составляющей индукции, а ток / в обмотке и соответственно напряженность магнитного поля //.

В соответствии с законом полного тока можно записать выра­жение для среднего значения напряженности поля:

где / — средняя длина сердечника.

Для выяснения зависимости тока /, протекающего по обмотке с числом витков w при синусоидальном напряжении и, от свойств материала сердечника и постоянной составляющей магнитной ин­дукции воспользуемся графическими построениями.

На рис. 22.3 изображена средняя кривая намагничивания сер­дечника B-f(H), обозначенная MON. На этом же рисунке изобра­жены две кривые изменения во времени магнитной индукции: 1 — при отсутствии постоянной составляющей магнитной индукции; 2 — при наличии постоянной составляющей, равной В₀.

Проецируя значения магнитной индукции, соответствующие

кривой 7, на кривую намагничивания, находим кривую изменения напряженности поля Г в зависимости от времени при переменной индукции без постоянной составляющей. Аналогичным построени­ем находим кривую изменения напряженности поля 2' в зависимо­сти от времени при наличии постоянной составляющей индукции. Так как напряженность поля может быть создана только током /, протекающим в обмотке сердечника, то кривые /' и 2' на рис. 22.3 в другом масштабе представляют собой зависимости этого тока / от времени. Из сравнения кривых Г и 2' видно, что при подмагничива-нии сердечника постоянным током, т. е. при наличии постоянной составляющей магнитной индукции В₀, растет переменная составля­ющая напряженности поля и, следовательно, переменный ток в об­мотке. На этом явлении и основано действие магнитных усилителей.

Важной характеристикой материала сердечника является отно­сительная магнитная проницаемость ц = B/(\j^H), где |д.₀ — магнит­ная постоянная Cm, = 4п • 10~⁷ Гн/м). Относительная проницаемость является безразмерной величиной, показывающей, во сколько раз проницаемость данного материала сердечника превышает проница­емость вакуума (или воздуха). Из анализа кривой намагничивания В(Н) видно, что магнитная проницаемость ферромагнитного мате­риала, из которого изготовлен сердечник, непостоянна. Сначала кривая идет круто вверх, малым изменениям Н соответствуют боль­шие изменения В, т. е. магнитная проницаемость велика. Затем кривая изгибается и идет полого, индукция В мало увеличивается при Рассмотренная схема (по рис. 22.4) имеет се­рьезные недостатки и крайне редко применяется на практике. Дело в том, что замыкающийся по сердечнику переменный магнитный поток наво­дит в обмотке управления (как во вторичной об­мотке трансформатора) переменную ЭДС. Поэто­му выходной сигнал может влиять на входной. А усилители должны обладать однонаправленно­стью действия: только от входа к выходу. Для уме­ньшения значения переменного тока, протекаю­щего по цепи управления под влиянием наведен­ной ЭДС, последовательно с управляющей обмоткой да_у включают большую индуктивность L_y. Однако при этом увеличивается инерционность усилителя: при быстрых изменениях входного напряжения ток управления изменя­ется медленно. Кроме того, увеличивается расход материала (так как необходим сердечник и для дросселя), возрастают габариты и вес усилителя. Другим недостатком рассмотренной схемы является то, что форма тока в нагрузке существенно отличается от синусои­ды, что видно по кривой 2' на рис. 22.3.

Для уничтожения ЭДС, наводимой в обмотке управления, испо­льзуются схемы магнитных усилителей с двумя одинаковыми сердеч­никами (рис. 22.7, а, б). Такие схемы составлены из схем по рис. 22.4 как из типовых элементов, что особенно хорошо видно на рис. 22.7, а. Рабочая обмотка ш_р и обмотка управления w_y имеют по две секции — по одной на каждом сердечнике. Секции управляющей

обмотки w_y соединяются последовательно и встречно; следовательно, происходит взаимное вычитание ЭДС, индуцируемых в каждой сек­ции. Поскольку сердечники и соответствующие обмотки на них оди­наковы, происходит взаимное уничтожение (компенсация) ЭДС, на­веденных переменным магнитным полем. Секции рабочей обмотки w_p включены последовательно и согласно. В один полупериод пита­ющего переменного напряжения U~ переменный магнитный поток Ф~ складывается с постоянным магнитным потоком Ф_у в одном сер­дечнике и вычитается в другом сердечнике. В следующем полуперио­де сердечники меняются ролями. Таким образом, совместное дейст­вие на цепь нагрузки обеих секций рабочих обмоток в каждый из по­лупериодов совершенно одинаково. Обе полуволны нагрузки будут симметричны (без четных гармоник), т. е. форма кривой тока будет менее искажена, чем в схеме с одним сердечником (см. рис. 22.3).