Глава 23
МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ С ОБРАТНОЙ связью
§ 23.1. Назначение и способы введения обратной связи
Характеристики магнитного усилителя могут быть значительно улучшены за счет введения дополнительного воздействия, зависящего от тока или напряжения на выходе усилителя. Такое воздействие, подаваемое с выхода усилителя на его вход, называется обратной связью.
В магнитных усилителях различают положительную и отрицательную, внешнюю и внутреннюю, жесткую и гибкую обратную связь.
При положительной обратной связи выходной сигнал, подаваемый на вход усилителя, складывается (суммируется) с входным управляющим сигналом. При положительной обратной связи повышается коэффициент усиления и улучшается быстродействие магнитного усилителя.
При отрицательной обратной связи выходной сигнал, подаваемый на вход усилителя, вычитается из входного управляющего сигнала. За счет отрицательной обратной связи улучшается стабильность преобразования входного сигнала в выходной, т. е. улучшаются измерительные свойства магнитного усилителя. Однако при отрицательной обратной связи уменьшается коэффициент усиления. Поэтому в магнитных усилителях наибольшее распространение получила положительная обратная связь. Если специально не оговорено, какой вид обратной связи используется, то под словами «магнитный усилитель с обратной связью» обычно понимается именно усилитель с положительной обратной связью.
Для осуществления внешней обратной связи предусматривается специальная обмотка обратной связи, которая располагается на сердечниках усилителя так же, как и обмотка управления. При внутренней обратной связи никакой дополнительной обмотки обратной связи не требуется. Сигнал обратной связи проходит в виде составляющей через рабочие (выходные) обмотки усилителя. При этом .последовательно с рабочими обмотками включаются однополупериодные выпрямители. За счет постоянной (выпрямленной) составляющей выходного тока создается магнитный поток обратной связи, изменяющий степень насыщения сердечника усилителя. При положительной обратной связи магнитный поток обратной связи суммируется с магнитным потоком обмотки управления и насыщение сердечника увеличивается. Поэтому в литературе усилители с внутренней обратной связью иногда называют усилителями с самонасыщением или самоподмагничиванием. При жесткой обратной связи сигнал обратной связи пропорционален выходному сигналу. При гибкой обратной связи сигнал обратной связи пропорционален скорости изменения выходного сигнала. Следовательно, гибкая обратная связь действует лишь в переходном процессе, т. е. при изменении выходного сигнала. Она и предназначена для улучшения динамики работы магнитного усилителя.
§ 23.2. Одноактный магнитный усилитель с внешней обратной связью
Типовые
схемы магнитных усилителей с внешней
обратной связью приведены на рис. 23.1.
Эти магнитные усилители кроме рабочей.
обмотки
и
обмотки управления
имеют
специальную обмотку обратной связи
,
в которую подводится сигнал с выхода
усилителя.
Существует
два вида внешней обратной связи: по току
и по напряжению. В схеме по рис. 23,1,а
в
обмотку обратной связи подается
выпрямленный ток нагрузки
.
Таким образом, осуществляется обратная
связь по току. В схеме по рис. 23.1,6 в
обмотку обратной связи подается
выпрямленное напряжение нагрузки
Так осуществляется обратная связь по
напряжению. Направление тока
в
обмотках обратной связи постоянно и
определяется полярностью подключения
их к
выпрямителю.
Если действие тока
в обмотке
усиливает
действие тока управления
в обмотке
,
то имеем положительную обратную связь.
Магнитодвижущие силы обмоток управления
и обратной связи при этом складываются.
Перейти от положительной обратной связи
к отрицательной можно путем изменения
полярности (направления) тока управления
в обмотке
или
переменой концов обмотки
,
подключаемой к выпрямителю. В этом
случае магнитодвижущие силы обмоток
управления и обратной связи вычитаются.
В
схеме (рис. 23.1,а) нагрузка может быть
включена как постоянного, так и переменного
тока. Нагрузка постоянного тока
включена последовательно с обмоткой
обратной связи
,
т. е. после выпрямителя. Нагрузка
переменного тока
включается
до выпрямителя. В этом случае выпрямитель
служит только для осуществления обратной
связи. В некоторых случаях и при нагрузке
постоянного тока для питания обмотки
обратной связи используется отдельный
выпрямитель, что повышает стабильность
характеристик магнитного усилителя.
Обратная связь по напряжению обычно применяется в мощных магнитных усилителях, т. е. при больших токах нагрузки. В этом случае для выпрямителя в цепи обратной связи по току потребовались бы диоды на большие токи, которые имеют большие габариты и используются со специальными охладительными радиаторами. Да и саму обмотку обратной связи потребовалось бы выполнять очень толстым проводом.
С точки зрения принципа действия разницы между усилителями с обратной связью по току и по напряжению нет.
Для статической характеристики идеального магнитного усилителя (см. § 22.5) при наличии обратной связи уравнение (22.17) будет иметь вид
(23.1)
где знак плюс соответствует положительной обратной связи, а знак
минус — отрицательной.
Поскольку
длина путей
для
постоянного и переменного магнитных
потоков у большинства магнитных
усилителей одинакова, можно записать
равенство напряженностей магнитного
поля:
где
—среднее
за полпериода значение напряженности
переменного магнитного поля;
—напряженность
постоянного магнитного поля, создаваемого
совместными действиями обмоток управления
и обратной связи;
Напряженность магнитного поля, создаваемого обмоткой обратной связи,
При обратной связи по току полагаем, что весь выпрямленный
ности,
можно значительно снизить постоянную
времени (например, при = =0,96 в 25 раз), т.
е. улучшить быстродействие усилителя.
Достигается
это
за счет уменьшения числа витков (т. е.
индуктивности) обмотки управления
усилителя. Другим способом уменьшения
постоянной времени является увеличение
частоты питания
,
что также следует из уравнения (23.6).
Поэтому для магнитных усилителей
используют источники питания повышенной
частоты (400, 500, 1000 Гц). Для усилителей
малой мощности постоянная времени может
быть снижена до нескольких миллисекунд,
а для большой мощности — до нескольких
десятков миллисекунд.
В
случае применения магнитного усилителя
с выходным переменным током (без
выпрямителя в цепи нагрузки) в уравнения
(23.4) —(23.6) необходимо ввести коэффициент
формы переменного тока