Тема 1. 4. Магнитные усилители

Магнитным усилителем называется электромагнитное устройство, предназначенное для усиления электрических сигналов, в котором используется зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов на переменном токе от величины постоянного подмагничивающего поля, созданного или изменяемого входным сигналом.

Сигнал постоянного тока в магнитном усилителе преобразуется в сигнал переменного тока, поэтому магнитные усилители часто используют в качестве первого каскада электронного усилителя переменного тока при усилении сигналов постоянного тока.

Магнитные усилители широко применяют в системах автоматику что обусловлено рядом их преимуществ, основными из которых являются высокая надежность и долговечность из-за отсутствия движущихся частей; нечувствительность к большим механическим перегрузкам; устойчивость в работе при вы­соких и низких температурах, повышенной влажности; высокий КПД; возможность усиления маломощных сигналов постоянного тока; высокий коэффициент усиления.

Существенным недостатком магнитных усилителей является их инерционность, определяемая индуктивностью управляющей обмотки и составляющая величину до десятых долей секунды. Наиболее сильно этот недостаток сказывается при использовании магнитных усилителей в следящих системах. Однако в большинстве случаев быстродействие магнитных усилителей оказывается достаточным и позволяет с успехом использовать их в системах автоматики.

Работа дросселя с подмагничиванием (рис. 1.23).

Рис.1.23. Дроссель с подмагничиванием.

На обмотку wy подается постоянное напряжение U_. Это обмотка управления. На обмотку wp подается переменное напряжение U~. Это рабочая обмотка. Выходным значением является ток нагрузки Iн.

Известно, что при постоянной амплитуде питающем напряжении U~ =Um*sinwt в сердечники возникает индукция B~=Bm*coswt. B~ не зависит от Iн.

Аналогично при постоянстве U_ индукция В_ не зависит от Iy.

Пусть U_=0. Тогда В_=0.Сумма магнитных индукций В_+В~ = B~. В сердечнике будет только переменная магнитная индукция (рис. 1.24,а) Это даст синусоиду зависимости напряженности Н от времени. Относительная магнитная проницаемость μ=B/H. Из графика намагничивания (рис. 1.24,а), что B=Bm*sinwt, a H=Hm*sinwt. Поэтому μ=Bm/Hm- const. Относительная магнитная проницаемость получилась величиной постоянной. Индуктивное сопротивление рабочей обмотки wp постоянно и максимально (см. рис. 1.24,а). Поэтому ток нагрузки Iн минимален (см. рис. 1.24б).

Пусть U_≠0. Сумма магнитных индукций В_+В~ вызовет приподнятую вверх зависимость B=f(t). B~ будет колебаться возле точки N. Относительная магнитная проницаемость μ=B/H как видно из графиков уже будет уменьшатся. Индуктивное сопротивление wp уменьшится. Амплитудное значение тока Iн увеличатся.

Увеличение U_ (а также Iу) вызовет увеличение амплитудного значения Iн (см. рис.1.24б). Выходные колебания по мощности будут больше, чем входные. Это означает усиление по мощности.

Рис. 1.24. Характеристики стального сердечника.

а- кривая намагничивания сердечника; б- изменение магнитных параметров сердечника при изменении тока управления

Применять в качестве магнитного усилителя дроссель (см. рис. 1.23) нецелесообразно из-за малого КПД и больших искажений. Рабочая обмотка wy этого дросселя создает переменный магнитный поток Ф~ в стальном сердечнике, и в управляющей обмотке будет наводиться переменная ЭДС. Если сопротивление управляющей цепи невелико, то пойдет большой ток, вызывающий бесполезный расход энергии. Кроме того, искажается входной сигнал и затрудняется управление магнитным усилителем.

Для устранения этого явления простейший магнитный усилитель собирают из двух одинаковых сердечников (рис. 1.25, а). При этом рабочую обмотку наматывают на оба сердечника так, чтобы направления потоков Ф_, создаваемых двумя ее частями во внутренних сторонах сердечников, были противоположными. Тогда ЭДС, индуктируемые в управляющей обмотке равными и противоположно направленными магнитными потоками, взаимно компенсируются. Следовательно, не произойдет искажений управляющего сигнала и бесполезного расхода энергии.

Рис.1.25. Магнитный усилитель.

а- принципиальная электрическая схема; б- выходная характеристика.

Зависимость тока нагрузки от тока управления показана на рис. 1.25б. Характеристика симметрична относительно оси ординат, т. е. не зависит от направления (знака) тока в обмотке управления. Такие усилители называют нейтральными или нереверсивными (однотактными).

Рассмотренные ранее магнитные усилители не реагируют на изменение направления тока управления. Однако во многих случаях требуется такое действие магнитного усилителя, чтобы ток в нагрузке Rн изменялся различным образом в зависимости от полярности сигнала управления. Для этого необходимо сместить характеристику управления подачей дополнительного тока в обмотку смещения. Схема усилителя с подмагничиванием представлена на рис. 1.26,а.

Рис.1.26. Магнитный усилитель с подмагничиванием.

а- принципиальная электрическая схема; б- выходная характеристика.

В усилителе две обмотки постоянного тока: wc — обмотка для начального подмагничивания, которая питается от стабильного источника постоянного напряжения Uc, wу - обмотка управления. Выходная характеристика представлена на рис. 1.26а.

Введение начального подмагничивания одновременно повышает коэффициент усиления для малых значений Iy, поскольку области малых значений Iy соответствует участок кривой с максимальной крутизной.

Для повышения коэффициента усиления магнитного усилителя используют три возможности:

1. применяют специальные магнитные сплавы с высокой начальной магнитной проницаемостью μн и малой коэрцитивной силой;

2. увеличивают частоту источника питания если пренебречь потерями в сердечнике на перемагничивание и вихревые токи, то можно считать, что коэффициент усиления пропорционален частоте источника питания;

3. используют положительную обратную связь, когда часть выходного сигнала подается обратно на вход усилителя.

Одной из простейших схем магнитного усилителя с положительной обратной связью является схема, показанная на рис. 1.27. В усилителе две обмотки постоянного тока - обмотка управления wy и обмотка обратной связи wос. Напряжение обратной связи поступает с выпрямителя выходного напряжения (диоды V1-V4).

Для получения амплитуды выходного переменного тока Iн - необходимо создать индукцию постоянного магнитного поля B_. Если раньше эта индукция создавалось только обмоткой управления wy, то теперь основная её часть обмоткой обратной связи wос и лишь небольшая ее часть обмоткой wy. Тоесть нужен меньший ток управления Iу. Поэтому положительная обратная связь увеличивает коэффициент усиления. Коэффициент усиления можно регулировать например изменением номинала шунта

Рис.1.27. Магнитный усилитель с положительной обратной связью.

Rш. Усилители в которых обратная связь осуществляется за счет отдельной обмотки обратной связи называются усилители с внешней обратной связью.

В качестве обмотки обратной связи можно использовать рабочие обмотки, если последовательно с ними включить диоды VI, V2, пропускающие ток только в одном направлении (рис. 1.28). В положительный полупериод ток будет протекать по рабочей обмотке одного сердечника, а в отрицательный полупериод- по обмотке другого сердечника. Напряженность поля Hос, создаваемая этим током, направлена согласно с напряженностью Ну обмотки управления и пропорциональна выходному сигналу I~. Следовательно, и без внешней обмотки обратной связи возникает постоянная составляющая напряженности Нос. Такие магнитные усилители называют усилителями с внутренней обратной связью или с самоподмагничиванием. В таком усилителе невозможно регулировать коэффициент обратной связи, что и ограничивает их применение.

Рис. 1.28. Магнитный усилитель с внутренней обратной связью.

Очень часто требуются усилители, реагирующие на изменение полярности входного сигнала.

Обеспечить реверсивность можно дифференциальным включением двух магнитных усилителей с положительной обратной связью (рис.1.29). Он состоит из двух одинаковых нереверсивных усилителей с обратной связью (см. рис. 1.27), управ­ляющие обмотки которых включены последовательно. Обмотки обратной связи нереверсивных усилителей включены таким образом, чтобы при одной полярности входного сигнала в одном усилителе происходило сложение напряженностей Нос и Ну

Рис. 1.29. Дифференциальный магнитный усилитель.

а в другом - их вычитание. При другой полярности входного сигнала картина меняется на обратную. В остальном работа дифференциального усилителя (двухтактного) не отличается от рассмотренной ранее. Выходная характеристика представлена на рис. 1.30.

Рис.1.30. Выходная характеристика дифференциального усилителя.

Магнитный усилитель может быть выполнен в виде автономного законченного устройства. В этом случае на отдельном шасси располагаются сердечник с обмотками, выпрямители, шунтирующие обмотку обратной связи резисторы, нагрузка. На лицевой панели расположены клеммы для подключения источника входного сигнала, питающего переменного напряжения, нагрузки.

Усилители небольшой мощности (до 500 Вт) обычно изготовляют на тороидальных сердечниках, мощные усилители - на Ш-образных пластинах.

Магнитные усилители - сложные устройства. Многие операции их изготовления трудно механизировать. На их производство расходуется дефицитная медь. Отсюда их высокая стоимость. Бурное развитие технологии изготовления электронных усили­телей привело к значительному улучшению их характеристик и снижению стоимости. Однако магнитные усилители не были вытеснены электронными и находят применение наравне с ними. Основная причина тому - плохая работа электронных усилителей на очень низких частотах.

В автоматике, телемеханике и измерительной технике часто применяют датчики, генерирующие ЭДС, составляющую всего несколько милливольт. Такими датчиками являются, например, термопары. Платино-платинородиевая термопара при изменении измеряемой температуры на один градус изменяет величину термо- ЭДС на 0,0064 мВ. Усилить такое напряжение электронным усилителем не представляется возможным из-за большой нестабильности работы усилителей постоянного тока (дрейф нуля). Магнитный усилитель отличается большой стабильностью работы, и с его помощью можно либо усилить напряжение до уровня, достаточного для включения исполнительного двигателя, либо, преобразуя постоянный ток входного сигнала в усиленный переменный ток, подать его на вход стабильного усилителя переменного тока.