Принцип дії магнітних підсилювачів

Принцип дії магнітного підсилювача заснований на використанні явища насичення ферромагнітних матеріалів у магнітномп полі, тобто нелінійності їхніх характеристик намагнічування В= f (Н) (рис. 6-1,а).

Рис. 6.1. Найпростіший дросельний магнітний підсилювач.

а — залежність магнітної індукції В від напруженості магнітного поля H; б -схема.

У найпростішомп виді магнітний підсилювач являє собою дросель насичення змінного струму, у коло яеого послідовно з робочою обмоткой _р включений опір навантаження R_н (рис.6.1,б). Вихідна напруга U_вих наймається з навантаження R_н .

Дросель насичення змінного струму являє собою пристрій, індуктивність якого може змінюватися в широких межах за рахунок підмагнічування дроселя постійним струмом.

Будемо вважати, що струм у робочому колі I_ є синусоїдальним і його значенням можна знайти по формулі

де U_ — напруга живлення магнітного підсилювача;

R-повний активний опір робочого кола;

x_p—індуктивний опір робочої обмотки.

Повний активний опір робочого кола R складається з активного опору навантаження R_н і активного опору робочої обмотки R_р

Індуктивний опір робочої обмотки x_p визначається по формулі

де  = 2f -кутова частота живлення робочого кола;

L_p—індуктивність робочої обмотки, обумовлена по формулі:

тут _р — число витків робочої обмотки;

S_p—площа поперечного перетину феромагнітного осердя

l_с—довжина середньої магнітної лінії осерддя;

_c -магнітна проникненість осердя.

Значення струму в робочій обмотці можна записати у вигляді :

З цієї формули випливає, що струм у робочомп колі, або в навантаженні, I_ = I_н залежить від індуктивності робочої обмотки L_p , яка пропорційна пропорційна _c (L_p  _c ). У свою чергу магнітна проникність ферромагнітного осердя _c залежить від магнітної індукції В і напруженості зовнішнього магнітного поля Н(_c=В/Н). При відсутності керуючої напруги U_у на вході дросельного магнітного підсилювача напруженість постійного магнітного поля H=0. У цьому випадку магнітна проникненість _c має велике значення. Отже, індуктивність L_р і індуктивний опір робочої обмотки x_p також великі . У даному випадку струм у робочому колі I_ має невелике значення. Його звичайно називають струмом холостого ходу. При цьому велика частина змінної напруги U_ падає на робочій обмотці _р, а незначна частина — на навантаженні R_н (рис. 6-1, б).

Рис. 6.2 Графічне пояснення принципу дії найпростішого дросельного магнітного підсилювача.

При подачі на вхід підсилювача керуючої напруги U_у по колі керування потече струм керування I_у , у результаті якого виникає напруженість постійного магнітного поля Н. Феромагнітне осердя підсилювача насичується і його магнітна проникність _c падає. Отже, індуктивний опір робочої обмотки x_p також падає, у результаті чого струм у робочому колі I_ збільшується. У цьомп випадку велика частина змінної напруги U_ падає вже на навантаженні R_н , а менша частина — на робочій обмотці _р.

Варто помітити, що за допомогою струму керування I_у можна регулювати струм у робочому колі, тобто струм у навантаженні I_н.

Якщо обмотку керування _у виконати з числом витків, у багато разів перевищуюче число витків робочої обмотки _р, то одержимо ефект посилення по струмі.

Принцип дії магнітного підсилювача, зображеного на рис. 6.1, б, можна проілюструвати за допомогою рис 6.2. На цьому рисунку приведена крива намагнічування феромагнитного оседя і криві зміни магнітної індукції. При відсутності напруги керування U_у постійна складова В_= 0. У цьому випадку В = В_ і напруженість Н_ буде змінюватися по симетричній кривій 1, хід побудови якої на рис. 6.2 показаний стрілками. Крива 1 нагадує синусоїду. Якщо тепер на обмотку керування _у подати напругу керування U_у , то по обмотці потече струм керування I_у, що створює у феромагнітному осерді постійний магнітний потік Ф_ . Цей потік накладається на змінний магнітний потік Ф_~ створюваний робочою обмоткой _р. В результаті виникнення Ф_ з'являється постійна складової магнітної індукції, що буде більше нуля (В_>0), тобто відбувається ще більше насичення сердечника. У цьому випадку В"= В_ +В_ і напруженість Н_ змінюється вже по кривій 2, що відмінна від кривої 1. Перекручування форми кривої 2 відбувається в результаті наближення робочої точки кривої намагнічування до насичення.

До основних властивостей магнітних підсилювачів можна віднести:

1) високу надійність і великий термін служби. Це пояснюється тим, що підсилювачі є статичними пристроями, тому що вони не мають рухливих частин. Вони, як правило, працюють у широкому діапазоні зміни температури, тиску і вологості. Підсилювачі взриво- і пожежобезпечні, тому що в них відсутні джерела іскріння;

2) готовність до роботи після включення живлення (не потрібно розігрів);

3) високий ККД;

4) великий поріг чутливості. Магнітні підсилювачі можуть підсилювати слабкі сигнали постійного струму потужністю 10^-19- 10^-17 Вт;

5) велику вихідну потужність (вона може досягати сотень тисяч кіловатів);

6) великий коефіцієнт підсилення по потужності (наприклад, для одного каскаду він може бути дорівнює 10⁶);

7) зменшення габаритів і маси магнітного підсилювача з підвищенням частоти (400 Гц і вище).

Магнітні підсилювачі в автоматиці використовуються в якості дроселів насичення або керованої індуктивності, підсилювачів-перетворювачів сигналів постійного струму в змінний, магнітних модуляторів, підсилювачів потужності для керування двигунами змінного струму, бесконтактных магнітних реле, а також у якості регуляторів напруги, частоти і температури.

Магнітні підсилювачі в телемеханіці застосовуються, наприклад, для модуляції частоти в електронних генераторах частоти. У цифрових ЕОМ вони використовуються як підсилювачі імпульсів.

Найбільш істотним недоліком магнітних підсилювачів у порівнянні з електронними і напівпровідниковими підсилювачами є їхній велика інерційність, що викликана індуктивністю обмотки керування L_у. Інерційність в основному визначається відставанням у часу струму керування I_у від напруги керування U_у .

В даний час розроблено безліч схем магнітних підсилювачів.

Лекція 7

Перемикачі і розподілювачі

Електромагнітні реле є найважливішими елементами, призначеними для управління різними споживачами. Реле є електромагнітним апаратом з однією або декількома парами контактів, керованих електромагнітом, споживаючим струм невеликої сили.

У разі, коли коло управління містить реле, контакти вимикача або перемикача зношуються менше. Крім того, для монтажу елементів такого кола можуть бути використані дроти меншого діаметру. Сучасні реле характеризуються малим вмістом срібла в контактах і можуть мати виті або пластинчасті пружини. Для установки на печатну плату випускається спеціальна модифікація реле, що допускає розпайку виводів прямо на друкарській платі. По схемі комутації реле підрозділяються на замикаючі, розмикаючі і перемикаючі. Крім того, реле відрізняються режимом роботи: він тривалий або короткочасний.

.Характеристика реле показана на рисунку 7.1 . При збільшенні вхідної величини х : від 0 до х_с вихідна величина у залишається постійною і рівною у_от . У момент х=х_с вихідна величина стрибком змінюється від у_от до значення у_с, тобто відбувається спрацювання реле .При подальшому збільшенні вхідної величини , вихідна величина залишається постійною і дорівнює у_с або змінюється незначно .При зменшенні вхідної величини до значення х_от

вихідна величина залишається постійною і дорівнює у_с.. При подальшому зменшенні вхідної величини у момент х=х_от відбувається відпускання реле .

Основними параметрами, що характеризують роботу реле в якому-небудь пристрої, є:

1. потужність спрацьовування Рс — потужність, яка підводиться до обмотки реле від управляючого кола для його надійного спрацьовування;

2. потужність в керованому колі Ру—максимальна потужність в керованому колі, при якій реле ще працює надійно;

3. час спрацьовування tc — інтервал часу від моменту подачі управляючого сигналу на обмотку реле до моменту дії контактів реле на керований ланцюг;

4. надійність реле.

При проектуванні пристроїв, в яких застосовуються реле, останні вибирають з урахуванням перерахованих параметрів.

Важливе значення при виборі реле мають його габарити і маса.

На рис. 7.2 показано електромагнітне реле постійного струму, яке є сполученням електромагнітного перетворювача (з поворотним якорем) і контактного пристрою. При проходженні струму по ко­тушці 7 у магнітопроводі, що складається з осердя 6 та якоря 1, виникає магнітний потік, якір притягується до осердя, контактна група 4, 5 розмикається (розмикаючий контакт), а контактна група 2, 3 замикається (замикаючий контакт). На принципових електрич­них схемах механічний зв'язок між електромагнітним приводом та контактами не вказується.

На рис. 7.3 показано електромагнітне реле поляризоване (1 — рухомий контакт

, 2 та 3—нерухомі контакти, 4 — якір, 5 — осер­дя). Якщо на затискач А підключити «плюс», на В — «мінус», то верхній кінець якоря намагнічується як N і тому переміщується праворуч; при цьому замикаються контакти 1 та 3. При протилеж­ному напрямі струму в котушці контакт 1 замикається з контак­том 2. (Чорні точки на рис. 8.3 означають, що при подаванні «плюса» на той кінець обмотки, який позначений чорною точкою, рухомий контакт замкнеться з тим нерухомим, який теж відмічено чорною точкою.)

В другій половині XX ст. у промисловості стали застосовувати безякорні реле. Одним із представників безякорных реле є мініатюрне реле язичкового типу, . Реле має незамкнуту магнітну систему. Усередині котушки міститься герметизивана скляна ампула , наповнена інертним газом. Контактні язички виконані з ферромагнітного матеріалу, кінці яких покриті шаром родія або золота. При подачі керуючого сигналу на обмотку реле виникає електромеханічне зусилля F_эм і контактні язички притягаються, замикаючи кероване коло. Реле язичкового типу мають переваги в порівнянні з електромагнітним реле з поворотним і утяжним якорем по надійності, швидкодії і габаритам. Термін служби реле складає сотні мільйонів спрацьовувань, частота спрацьовувань може досягати сотень герц. Контактні язички реле можуть комутувати потужність до декількох десятків ватів.