§ 25.2. Быстродействующие магнитные усилители

К быстродействующим относятся магнитные усилители, постоянная времени которых меньше длительности периода переменного питающего напряжения. Если в обычных усилителях на инерционность оказывает основное влияние цепь управления, то в быстродействующих усилителях необходимо учитывать запаздывание и в рабочей цепи. Высокое быстродействие в магнитных усили-

телях (в одном каскаде) может быть обеспечено лишь при использовании высококачественных материалов для сердечников. К таким материалам относятся железоникелевые сплавы (пермаллои), основные достоинства которых — близкая к прямоугольной петля гистерезиса, высокая магнитная проницаемость в слабых полях и малое значение коэрцитивной силы.

Для упрощенного анализа работы быстродействующего магнитного усилителя воспользуемся теорией идеализированного магнитного усилителя, т. е. пренебрежем шириной петли гистерезиса магнитного материала сердечника. Представим эту кривую графически в виде ломаной линии, состоящей из трех отрезков (рис. 25.2, а). Вертикальный участок этого графика соответствует магнитной проницаемости, стремящейся к бесконечности, а на горизонтальных участках магнитная проницаемость стремится к нулю. Это означает, что в режиме работы сердечника на вертикальном участке индуктивное сопротивление рабочей обмотки стремится к бесконечности, а на горизонтальном участке — к нулю.

Простейшим быстродействующим магнитным усилителем является схема на одном сердечнике с внутренней обратной связью за счет однополупериодного выпрямления в цепи рабочей обмотки (рис. 25.2, б). Работу такой схемы можно рассматривать по двум полупериодам питающего напряжения . Когда диод Д открыт (полярность приложенного напряжения совпадает с проводящим направлением диода), изменение магнитного состояния сердечника происходит под действием тока в рабочей обмотке. Этот полупериод называется рабочим. Когда диод Д закрыт, изменение магнитного состояния сердечника происходит только под влиянием тока в обмотке управления. Этот полупериод называется управляющим.

В рабочем полупериоде можно выделить два режима работы усилителя: рабочая точка находится на вертикальном или на горизонтальном участке характеристики намагничивания (рис. 25.2, а). В первом режиме индуктивное сопротивление рабочей обмотки очень велико и ток в рабочей цепи (ток нагрузки ) равен нулю. Во втором режиме индуктивное сопротивление рабочей обмотки близко к нулю и ток в рабочей цепи определяется только мгновенным значением напряжения питания и активным сопротивлением нагрузки. В зависимости от значения тока управления изменяется момент времени, в который индуктивное сопротивление рабочей обмотки скачком изменяется от бесконечности до нуля (напомним, что речь идет об идеализированном магнитном усилителе). Па рис. 25.3 показаны кривые тока в рабочей цепи для двух значений фазы отпирания усилителя. Рабочий ток, как видно из рисунка, имеет вид срезанных по вертикали синусоидальных импульсов. Максимальная амплитуда импульсов

Отпирание усилителя зависит от магнитного состояния сердечника в конце предшествующего (т. е. управляющего) полупериода. Чем выше на вертикальном участке кривой намагничивания находится точка начальной индукции ( и на рис. 25.3, в), тем быстрее наступает момент времени, когда рабочая точка перемещается на горизонтальную часть кривой намагничивания и индукция достигает значения . Если в очередном управляющем полупериоде ток управления отсутствует, то к очередному рабочему полупериоду начальное значение индукции не изменится ( ) и выходной сигнал будет иметь максимальное значение. Минимальное запаздывание обусловлено принципом работы усилителя с обратной связью и может колебаться от длительности полупериода (в случае совпадения момента подачи сигнала и началом управляющего полупериода) до длительности периода (в случае подачи сигнала с началом рабочего полупериода).

Зависимость выходного тока от управляющего показана на рис. 25.4, а. Как видно из характеристики , при выходной ток максимален, а для его уменьшения требуется подавать отрицательный входной сигнал ( ). На практике удобнее иметь прямо пропорциональную зависимость выходного сигнала от входного (рис. 25.4, б). Для получения такой характеристики в управляющую цепь включают дополнительный источник напряжения смещения (его называют опорным напряжением) с той же частотой, что и напряжение питания, но сдвинутый по фазе на 180° (рис. 25.5, а).

При выполнении соотношения между питающим и опорным напряжениями необходимое размагничивание сердечника будет происходить в течение управляющего полупериода за счет и при Соответственно при ток нагрузки будет равен нулю, а при увеличении тока управления будет возрастать ток нагрузки, как показано на рис. 25.4, б.

На основе двух однополупериодных схем построены двухполупериодные и реверсивные быстродействующие магнитные усилители. При этом усилители с выходным постоянным или переменным током отличаются соединением цепи нагрузки. На рис. 25.5, б показана схема двухполупериодного быстродействующего усилителя, в которой опорное напряжение, обеспечивающее смещение,

подается со вторичной обмотки трансформатора Поскольку это напряжение в течение одного полупериода запирает диод , а в течение другого полупериода— , в каждый из полупериодов ток проходит только по одной обмотке управления.

На рис. 26.5 показана полярность опорного напряжения, при которой диод закрыт, а диод открыт. Ток управления при этом протекает по цепи

В другой полупериод, когда изменится полярность , ток управления пройдет по обмотке Проследите его путь самостоятельно.

Надо отметить, что быстродействующие магнитные усилители имеют коэффициенты усиления по напряжению и по мощности меньше, чем усилители с нормальным быстродействием. Они становятся быстродействующими именно за счет повышения мощности управляющего сигнала. Поэтому для маломощных усилителей предпочтительнее «обычные» схемы, а не быстродействующие.

Чаще всего быстродействующие усилители применяются для непосредственного усиления сигналов переменного тока (без предварительного выпрямления). Но достоинства быстродействующего усилителя будут сведены на нет, если исполнительное устройство в системе автоматики будет обладать большим запаздыванием. Поэтому реверсивные быстродействующие магнитные усилители получили применение в следящих системах с малоинерционными исполнительными электродвигателями (например, имеющими полый тонкостенный ротор или дисковый ротор с печатной обмоткой).