Магнитный усилитель. Магнитные усилители Магнитным усилителем

• Название: Магнитные усилители Магнитным усилителем
• Дата: 16.11.2021
• Размер: 210.06 Kb.
• Имя файла: Магнитный усилитель.docx
• Тип: Документы; #273962

Магнитные усилители Магнитным усилителем (МУ) называется электромагнитное устройство, предназначенное для усиления электрических сигналов, в котором используется зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов, помещенных в переменное магнитное поле, от величины постоянного подмагничивающего поля, создаваемого или изменяемого входным сигналом. Рис. 7.9. Схема дросселя с подмагничиванисм Сигнал постоянного тока в магнитных усилителях преобразуется в сигнал переменного тока, поэтому МУ часто используют в качестве первого каскада усиления для электронного усилителя переменного тока. МУ широко применяются в схемах автоматики вследствие своей высокой надежности и долговечности, обусловленных отсутствием движущихся частей и нечувствительностью к механическим перегрузкам, устойчивости к работе при высоких и низких температурах и в условиях повышенной влажности, а также вследствие присущих им высокого КПД и коэффициента усиления и возможности усиления маломощных сигналов постоянного тока. Недостатком магнитного усилителя является инерционность, определяемая его высокой индуктивностью, что ограничивает его применение в системах автоматики, требующих минимального времени реагирования, например, в следящих системах. Принцип работы такого усилителя рассмотрим на примере так называемого дросселя с подмагничиванием, изображенного на рис. 7.9. На этой схеме обмотка управления Wy питается постоянным напряжением U_ входного сигнала, а рабочая область переменного тока /н определяется переменным напряжением U_. Последовательно с рабочей обмоткой Wp включено сопротивление нагрузки Rн. Переменный ток /н в рабочей обмотке Wp определяется соотношением где X, = со L а со = 2nf. Индуктивность L определяется по формуле где р0 — магнитная проницаемость вакуума, Г/м; S— площадь сердечника дросселя, м2; / — длина средней силовой линии в сердечнике дросселя, м; >vp — число витков рабочей обмотки Wp; р — магнитная проницаемость сердечника дросселя для переменной составляющей магнитного поля, Г/м. Величина р определяется из соотношения где Я — напряженность магнитного поля, а В — его индукция. При Uм = U_ = О Я, = 0, а /и определяется магнитной проницаемостью в положении на кривой намагничивания, симметричном относительно оси ординат. При Unx Ф О U_ Ф 0 и Я, Ф 0. Это смещает рабочую точку на кривой намагничивания. Значит, с увеличением постоянного тока подмагничивания магнитная проницаемость сердечника уменьшается, что приводит к уменьшению индуктивного сопротивления дросселя и к увеличению тока нагрузки /и. Если кривая намагничивания имеет большую крутизну, то небольшое изменение входного сигнала приводит к значительному изменению мощности нагрузки. Рис. 7.10. Схема магнитного усилителя из двух сердечников Однако такой дроссель применять в качестве магнитного усилителя нецелесообразно, так как его рабочая обмотка Wp создает в сердечнике переменный магнитный поток, так что в управляющей обмотке Wy наводится ЭДС, противодействующая входному сигналу. Это снижает КПД усиления и вносит дополнительные шумы. Поэтому практически простейший магнитный усилитель собирают из двух сердечников, как показано на рис. 7.10. Рис. 7.11. Статическая характеристика магнитного усилителя из двух сердечников Статическая характеристика такого усилителя приведена на рис. 7.11. В этом магнитном усилителе /н0 — начальный холостой ток при 1у = 0. Рабочую обмотку Wp наматывают таким образом, чтобы магнитные потоки, создаваемые ею в обоих сердечниках, действовали навстречу друг другу, и ЭДС, индуцируемые ими в обмотке управления, взаимно компенсировались. Это и показано на рис. 7.10. Такая взаимная компенсация составляет принципиальное преимущество этой схемы перед схемой с дросселем насыщения. Однако для рассмотренных выше схем характерно то, что входным сигналам разного знака, но равным по модулю соответствуют одни и те же значения выходного сигнала. Это видно из рис. 7.11, где статическая характеристика магнитного усилителя, состоящего из двух сердечников, представляет собой график, симметричный относительно оси ординат. Значит, такой усилитель не реагирует на знак входного "сигнала. Чтобы сделать магнитный усилитель чувствительным к знаку входного сигнала, не изменяя физическую природу явлений, положенных в основу его работы, нужно сместить начальную рабочую точку на его статической характеристике. Это достигается путем создания дополнительного постоянного магнитного поля за счет введения дополнительной обмотки постоянного тока, которая так и называется обмоткой смещения. Схема такого магнитного усилителя изображена на рис. 7.12. В магнитном усилителе со смещением ток /н в нагрузке изменяется по знаку в зависимости от полярности сигнала управления. При /у = 0 величина тока 1п1) уже не будет мини- Рис. 7.12. Схема магнитного усилителя со смешением мальной. Значение /н будет расти или падать в зависимости от полярности сигнала /у. Введение начального подмагничивания (начального смещения) повышает также коэффициент усиления для малых значений /у. Это обусловлено тем, что области малых значений /у будет соответствовать участок статической характеристики усилителя, обладающий значительной крутизной, как это видно на рис. 7.13. Рис. 7.13. Статическая характеристика магнитного усилителя со смещением

 

Магнитным усилителем(МУ) является электромагнитное устройство, предназначенное для усиления электрических сигналов. Магнитные усилители широко применялись в системах автоматического регулирования [5]: как усилители входных сигналов, поступающих от датчиков и других элементов систем автоматики; в измерительных устройствах и других устройствах. МУ имеют различное конструктивное устройство и схемы включения. МУ хорошо сопрягаются, в частности, с нагрузкой в виде двигателей переменного тока, имеющих выходную мощность от единиц до сотен ватт.

Принцип работы МУ основан на использовании нелинейных магнитных характеристик ферромагнитных материалов. Действие МУ можно уяснить из простейшей схемы (рис. 3.27, а). При установившемся режиме действующее значение синусоидального переменного тока I_н с частотой f, протекающего через сопротивление нагрузки R_н.

 , (3.12)

где U_пит – напряжение сети переменного тока, в которую включена рабочая обмотка w_р магнитного усилителя последовательно с сопротивлением нагрузки R_н; L_р и R_р – индуктивность и активное сопротивление рабочей обмотки.

На рис. 3.27, б показана зависимость магнитной индукции В в ферромагнитном сердечнике магнитного усилителя от напряженности Н магнитного поля, т. е. кривая намагничивания сердечника (без учета гистерезиса).

Сердечник намагничивается суммарными ампервитками постоянного тока I_у в обмотке управления w_у и ампервитками переменного тока в рабочей обмотке w_р. Поэтому по оси абсцисс на рис. 3.27, б можно отложить также   , а по оси ординат – потокосцепление y рабочей обмотки, считая его пропорциональным магнитной индукции В в сердечнике.

Из кривой   видно, что чем больше постоянный ток I_у в обмотке управления, тем меньше индуктивность L_р рабочей обмотки, так как   . Уменьшение индуктивности означает, согласно формуле (3.12), что действующее значение I_н рабочего тока увеличивается. Таким образом, увеличение управляющего тока I_у вызывает рост рабочего тока I_н и напряжения U_н = R_н I_н на сопротивлении нагрузки.

Схема, показанная на рис. 3.27, а, практически не применяется, так как при w_y > w_р в обмотке управления w_y возникает весьма большая трансформаторная ЭДС, наводимая со стороны рабочей обмотки. Эта ЭДС приводит к нарушению нормальной работы МУ и может вывести из строя источник управляющего тока. Для устранения этого недостатка обычно применяются магнитные усилители на двух сердечниках (рис. 3.27, в).


а б

в г

Рис. 3.27. Простейшие схемы магнитных усилителей:
а – усилитель на одном сердечнике; б – кривая намагничивания сердечника;
в – магнитный усилитель на двух сердечниках; г – кривые магнитодвижущих сил (сплошная линия – основная гармоника, пунктир – вторая гармоника)

На сердечниках имеются одинаковые рабочие обмотки w_р, которые соединяются последовательно так, чтобы магнитодвижущие силы, создаваемые переменным током I_н в рабочих обмотках, были встречными по отношению к магнитодвижущим силам управляющей обмотки w_y, общей для обоих сердечников. Направления этих магнитодвижущих сил показаны стрелками на рис. 3.27, в. При встречном направлении магнитодвижущих сил, т. е. при сдвиге их на 180°, суммарная ЭДС основной частоты, наводимая этими магнитодвижущими силами в управляющей обмотке, равна нулю. Это же относится и к высшим нечетным гармоникам ЭДС. Вторая и высшие четные гармоники ЭДС в управляющей обмотке при этом не уничтожаются. Это видно из рис. 3.27, г, где показаны кривые магнитодвижущих сил F₁ и F₂, создаваемых рабочими обмотками в сердечниках 1 и 2, с учетом сдвига этих магнитодвижущих сил на 180°.

Статической характеристикой магнитного усилителя (рис. 3.28) называется зависимость тока в сопротивлении нагрузке от тока управления усилителя при установившемся режиме работы.



Рис. 3.28. Статическая характеристика магнитного усилителя

Из рисунка видно, что статическая характеристика однотактного магнитного усилителя нелинейна. Имеется значительный ток холостого хода I_x.х., т. е. ток в нагрузке при отсутствии тока управления.

Вид статической характеристики может быть изменен (рис. 3.29, б). за счет применения добавочной обмотки постоянного тока, называемой обмоткой смещения (постоянного подмагничивания). Эта обмотка (рис. 3.29, а) располагается там же, где и обмотка управления. В обмотку смещения w_см подается постоянный ток смещения I_см, не зависящий от тока управления I_у. При этом постоянная составляющая напряженности магнитного поля в сердечнике магнитного усилителя определяется алгебраической суммой ампер-витков обмоток смещения и управления: w_смI_см + w_y I_y.


а б

Рис. 3.29. Магнитный усилитель с обмоткой подмагничивания
и его статическая характеристика

Для однотактных магнитных усилителей смещение статической характеристики не имеет практического значения. Оно широко используется в двухтактных магнитных усилителях.

В большинстве практических задач требуется, чтобы статическая характеристика магнитного усилителя являлась симметричной относительно начала координат, т. е. чтобы изменение полярности тока управления магнитного усилителя вызывало сдвиг фазы тока или напряжения на выходе усилителя на 180°. Такую статическую характеристику имеют двухтактные магнитные усилители. Большинство из них содержит два одинаковых однотактных магнитных усилителя, каждый из которых собран на двух сердечниках.

На рис. 3.30 представлен дифференциальный двухтактный магнитный усилитель. Он состоит из двух однотактных магнитных усилителей А и Б.



Рис. 3.30. Дифференциальный двухтактный магнитный усилитель

Управляющие обмотки w_y усилителей А и Б включены последовательно. Обмотки смещения w_см включены так, что в усилителе А ампер-витки смещения и управления действуют согласно, а в усилителе Б – встречно. Энергия из сети переменного тока поступает в усилитель через питающий трансформатор со средней точкой.

Статическая характеристика двухтактного усилителя может быть получена как разность статических характеристик двух однотактных магнитных усилителей А и Б (рис. 3.31); на значительном участке она близка к линейной.



Рис. 3.31. Статическая характеристика
двухтактного магнитного усилителя

Коэффициент усиления по току для магнитного усилителя

k_I = DI_н / DI_y = w_y / w_p.

Для идеального МУ, имеющего линейную статическую характеристику, k_I = I_н / I_y.