9.3. Магнитные элементы с прямоугольной петлей гистерезиса

Магнитные сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) (рис. 9.4, а) являются элементами релейного действия, так как ППГ имеет вид релейной характеристики (рис. 9.4, б). Ее можно сравнить с характеристикой поляризованного реле (см. рис. 6.2, б). Материал с ППГ может сколь угодно долго сохранять состояние остаточного магнетизма плюс В_r или минус В_r, и обладает, таким образом, естественной памятью. При перемагничивании и плавном изменении напряженности поля Н скачкообразно изменяется ин­дукция В. Релейные свойства сердечника тем лучше, чем больше коэффициент прямоугольности петли β_r= β_r/β_m.

Сердечники с ППГ изготавливают из ферритов или металличе­ской ферромагнитной ленты. Из ферритов наибольшее применение имеют магниево-марганцевые ферриты (Mg — Mn), у которых ко­эффициент прямоугольности достигает значений 0,96 — 0,98.

Основным преимуществом ферритов являются относительная простота процесса производства и малая стоимость. Размеры ферритовых сердечников находятся в пределах от долей до нескольких миллиметров. Для изготовления ленточных сердечников применяют ленты толщиной 1 — 10 мкм из железоникелевых сплавов. Их пре­имуществом является высокая температурная стабильность харак­теристик (диапазон температур от минус 60 до плюс 120 °С).

Сердечники с ППГ работают в режиме импульсного перемагничивания. В этом случае на сердечнике располагаются обмотки запи­си w_з, считывания w_сч и выходная w_вых (см. рис. 9.4, а). Ток записи i_з, протекающий по обмотке записи, создает положительную напря­женность поля и перемагничивает материал в состояние плюс В_r, ток считывания i_з перемагничивает материал в состояние минус БД (рис. 9.5, а). В обмотки записи и считывания попеременно подаются пря­моугольные импульсы тока, и происходит перемагничивание сер­дечника соответственно из состояния минус В_r в состояние плюс В_m и из состояния плюс В_r в состояние минус В_m (рис. 9.5, а). При этом в обмотке w_вых индуктируются выходные импульсы,

(9.1)

различающиеся амплитудой и полярностью. Импульсы большой амплитуды называют рабочими, а импульсы малой амплитуды, воз­никающие во время изменения индукции В_r → В_m или В_r → В_m, назы­вают импульсами помехи.

Динамика процесса импульсного перемагничивания описывает­ся уравнением, полученным в результате теоретических и экспери­ментальных исследований и определяющим скорость перемагничи­вания магнитного сердечника:

где r_m — максимальное приведенное динамическое сопротивление сердечника, Ом/см;

Н₀— напряженность поля, необходимая для полного перемагничивания ма­териала сердечника (Н₀ H_c).

Максимальная скорость изменения индукции наблюдается при В = 0 (см. рис. 9.4, б). Поэтому

. (9.2)

Уравнение (9.2) определяет амплитуду выходного импульса [см. формулу (9.1)], которая линейно возрастает с увеличением напря­женности намагничивающего поля.

Время переключения сердечника τ определяется из уравнения:

где S_w — коэффициент переключения, равный количеству электричества, необходи­мому для переключения сердечника из состояния В_r в состояние В_m, отнесенного к единице длины силовой линии.

Для прямоугольных импульсов тока

откуда

(9.3)

т. е. быстродействие сердечника с ППГ линейно возрастает с увели­чением напряженности намагничивающего поля.

Динамические параметры сердечников r_m и S_w указываются в справочниках. Например, для феррита марки 1,3 ВТ:

Н_с = 1,0 А/см; В_r = 23,5 Тл; β = 0,12; Н₀=1,4 А/см; r_m=215 Ом/см; S_w = 0,4 мкк/см.

Используя сердечники с ППГ, строят двоичные дискретные эле­менты, используемые в устройствах автоматики и вычислительной техники. Элемент (см. рис. 9.4, а) является двоичной запоминающей ячейкой, из которых состоят запоминающие устройства (ЗУ) вычис­лительных систем. Схема ЗУ для хранения четырехразрядного дво­ичного числа приведена на рис. 9.5, б.

При записи, например, числа 1010 в обмотки записи первой и третьей ячеек посылаются импульсы тока, и сердечники этих ячеек перемагничиваются в состояние плюс В_г Сердечники второй и чет­вертой ячеек сохраняют состояние минус В_r. При необходимости выборки данного числа из ЗУ в обмотки считывания ячеек, которые соединены последовательно, подается импульс тока. Сердечники первой и третьей ячеек перемагничиваются из состояния плюс В_r в состояние минус В_r. В их выходных обмотках индуцируются импуль­сы большой амплитуды. Это говорит о том, что первый и третий разряды двоичного числа равны 1. Выходные импульсы восприни­маются регистрирующими схемами.

Сердечники с ППГ используют также в феррит-диодных и фер­рит-транзисторных модулях. В феррит-транзисторном модуле (ФТМ) транзистор и ферритовое кольцо связываются (рис. 9.6, а) с помощью двух обмоток — базовой w_б и коллекторной w_к. В базовой обмотке при перемагничивании кольца индуцируется ЭДС, воздей­ствующая на базовую цепь транзистора. Последний открывается при изменении индукции плюс В_r→ минус В_т (при считывании). Коллекторная обмотка образует положительную обратную связь. Она действует согласно с обмоткой считывания и способствует перемагничиванию кольца при открытии транзистора. ФТМ имеет по две обмотки записи и считывания и обмотку гашения, которая дей­ствует также, как обмотка считывания, но имеет большее число витков. Выходом ФТМ является эмиттерная цепь транзистора. К выходу подключаются в качестве нагрузки обмотки других ФТМ.

На ФТМ строят импульсные логические схемы (рис. 9.6, б, в, г). В этих схемах используются следующие условные обозначения: входящие стрелки обозначают входные обмотки, а выходящая стрел­ка — выход ФТМ; обмотки записи отмечаются цифрой 1 внутри кру­га, а обмотки считывания и гашения — цифрой 0; обмотка гашения выделяется двойной стрелкой. Импульсные схемы на ФТМ требуют двухтактного питания, так как в обмотки записи и считывания импульсы тока должны поступать в разные моменты времени (такты). На рис. 9.6 такты отмечены одним или двумя штрихами.

В схеме ИЛИ (см. рис. 9.6, б) двоичные переменные x₁ и х₂ под­аются в обмотки записи в первом такте. Причем, если х = 1, то это означает наличие импульсов тока в обмотке, если х = 0 — их отсут­ствие. В обмотку считывания во втором такте поступает постоянное импульсное питание. Если хотя бы одна из переменных x₁, х₂ равна 1, в первом такте кольцо перемагничивается в состояние плюс В_r, а во втором — в состояние минус В_r. Транзистор открывается во вто­ром такте, т. е. выходной сигнал равен 1.

В схеме И (см. рис. 9.6, в) транзисторы двух ФТМ соединены последовательно. Сигнал на выходе равен 1 только тогда, когда оба транзистора открываются одновременно во втором такте. Для это­го в первом такте необходимо перевести оба кольца в состояние плюс В_r, т. е. x₁= 1 и х₂ = 1.

В схеме НЕ (см. рис. 9.6, г) используется обмотка гашения, в которую поступает сигнал х. Если х = 0, то в первом такте приходит импульс тока в обмотку записи, во втором такте — в обмотку считы­вания, транзистор открывается и х= 1. Если х= 1, то в первом такте одновременно с импульсом тока в обмотку записи приходит импульс тока в обмотку гашения. Так как w_r >w_з, то кольцо сохра­няет состояние минус В_r (запись "гасится"). Во втором такте перемагничивания кольца не происходит, транзистор не открывается и, следовательно, х = 0.