Общие сведения. Бесконтактными электроаппаратами называют устройства, предназначенные для включения, выключения или переключения (ком­мутации) электрических цепей без

Бесконтактными электроаппаратами называют устройства, предназначенные для включения, выключения или переключения (ком­мутации) электрических цепей без физического разрыва цепи.

Основой построения бесконтактных электроаппаратов служат различного рода нелинейные элементы. Главными из них яв­ляются нелинейные индуктивности — ферромагнетик с обмотками и нелинейные активные сопротивления — полупроводниковые приборы.

Ниже будут рассмотрены выполняемые на базе ферромагнети­ков и полупроводниковых приборов некоторые основные элементы (магнитные и полупроводниковые усилители, логические элементы), на базе которых могут быть выполнены различного рода бесконтакт­ные электрические аппараты.

Большинство из рассматриваемых элементов называют усили­телями. Блок-схема простейшего усилителя приведена на рис. 10.1, в нем последовательно с напряжением питания включены нагрузка Z„ и управляемое нелинейное сопротивление (L = var, или R = var); эта цепь называется рабочей. Нелинейное сопротивление управляется от специального источника сигнала управления (чаше от источника постоянного напряжения U_y. Цепь, состоящая из источника сигнала управления, сопротивления Z и нелинейного сопротивления, называется цепью управления.

С изменением тока цепи управления i _y меняются параметры не­линейного сопротивления и ток в рабочей цепи i _р. В результате оказывается возможным малыми мощностями в цени управления управлять большими мощностями в нагрузке. Усиление происходит за счет мощности источника питания.

Если управляемым нелинейным сопротивлением является ферромагнитный сердечник с обмотками (L = var) — усилитель называется магнитным. Если это полупроводниковый прибор R= var) — усилитель называется полупроводнико­вым.

Рис. 10.1. Блок-схема усили­теля

Полупроводниковые усилители питаются от источника постоян­ного или переменного тока. Магнитные усилители — от источника переменного напряжения (иногда импульсного, однополярного).

В то время как принцип работы полупроводникового усилителя весьма прост и достаточно поясняется блок-схемой (рис. 6.1), прин_цип работы магнитного усилителя тре­бует специального пояснения.

Дело в том, что при перемагничивании ферромагнитного сердечника на его рабочей обмотке (включенной в рабочую цепь) создается противо-э. д. с, препят­ствующая протеканию тока в рабочей цепи. Если при этом сердечник достиг насыщения (состояния, при котором рез­ко уменьшается магнитная проницае­мость ферромагнетика), противо-э. д. с. на его рабочей обмотке резко падает и практически вовсе не препятствует про­теканию рабочего тока, т. е. ферромаг нитный сердечник играет роль дросселя, заслонка которого то за­крыта (сердечник перемагничивается и не достиг насыщения), то открыта (сердечник, перемагничиваясь, достиг насыщения). Причем в течение одного полупериода напряжения питания сер­дечник может одну часть этого полупериода находиться в «непро­водящем состоянии» (перемагничивается, не достигнув насыщения), а другую в «проводящем» (достигнув насыщения). Ферромагнитный сердечник, работающий в таком режиме, будем называть дросселем насыщения (ДН). В зависимости от того, какую часть полупериода ДН находится в непроводящем состоянии, а какую — в проводя­щем, будет зависеть и величина тока и напряжения на нагрузке. Соотношение проводящих и непроводящих долей полупериода зави­сит от многих факторов, в частности от величины напряжения пита­ния и, что весьма существенно, от величины постоянной составляю­щей тока (или напряжения) на какой-либо из обмоток ДН.

ДН, в котором не предусмотрено протекание по обмоткам по-стоянной составляющей тока, называется дросселем насыщения без подмагничивания, а в котором предусмотрено протекание по какой-либо из обмоток постоянной составляющей тока, называется дро& селем насыщения с подмагничиванием.

Магнитные усилители выполняются на дросселях насыщения с подмагничиванием: благодаря разной величине постоянной состав­ляющей тока (или напряжения) изменяется соотношение проводя­щих и непроводящих долей полупериода и изменяется ток (напряже­ние) в нагрузке.

Магнитные усилители делятся на две основные группы: дрос­сельные магнитные усилители и магнитные усилители с самоподмагничиванием.

Дроссельным называют магнитный усилитель, по рабочим обмоткам которого протекает переменный ток (иногда их называют ДН с подмагничиванием).

Магнитным усилителем с самоподмагничиванием (МУС) назы­вают усилитель, по рабочим обмоткам которого протекает однополупериодный выпрямленный ток (или однополярный импульс­ный), т. е. в МУС по рабочим обмоткам проходит постоянная со­ставляющая тока, и его сердечники можно было бы назвать ДН с са­моподмагничиванием.

а) Принцип действия. Магнитный усилитель (МУ) — это электрический аппарат, предназначенный для усиления электрического сигнала по току, напряжению или мощно­сти. В схеме простейшего дроссельного МУ (ДМУ), назы­ваемого дросселем насыщения (рис. 10.2), используется уп­равляемое индуктивное сопротивление. Замкнутый магнитопровод изготавливается из материала с резко выраженной нелинейностью кривой намагничивания B=f(H). Рабо­чая обмотка переменного тока w _p включается в цепь нагрузки R_H. В обмотку управления w_y подается управляющий постоянный ток I _у. Кривая намагни­чивания материала магнитопровода дана на рис. 10.3. При прохождении переменного тока по обмотке w _p на обмотке w _y наводится ЭДС. Эта ЭДС будет создавать переменный ток в цепи управления, для ограничения которого включа­ется балластный дроссель Х _б.

При отсутствии тока управления (цепь управления разомкнута) индуктивное сопротивление обмотки

, (10.1)

где S- активное сечение магнитопровода;

–число витков рабочей обмотки;

ее индуктивность;

l –средняя длина магнитной линии в магнитопроводе.

Рис. 10.2. Дроссельный МУ на од­ном магннтопроводе

Рис. 10.3. Изменение индукции В, напряженно­сти Н и тока I р

при Iу = 0 и Iу = Iутах

При неизменных S, , l; индуктивность определяется абсолютной магнитной проницаемостью . При состояние магнитопровода характеризуется ненасыщенной зо­ной 1 (рис. 10.3). В этой зоне магнитная проницаемость велика и индуктивное сопротивление обмотки равное

,

максимально.

Обычно поэтому ток в цепи рабочей обмотки определяется только значением , и имеет минимальное значение, равное . Напряженность магнитного поля находится по индукции .

Подадим в обмотку управления такой постоянный ток управления I_Уmax, чтобы рабочая зона перешла в область 2. В этой области насыщения материал имеет магнитную проницаемость Индуктивное сопротивление рабочей обмотки резко уменьшается. Значения выбираются так, что . Тогда ток в цепи определяется только сопротивлением нагрузки. При этом все на­пряжение источника питания приложено к сопротивлению нагрузки и активному сопротивлению r_ррабочей обмот­ки

Мы рассмотрели два крайних режима усилителя — ре­жим холостого хода, когда и ток в нагрузке имеет минимальное значение и режим максимального тока нагрузки. При плавном уве­личении тока ток нагруз­ки плавно увеличивается от до максимального значе­ния за счет уменьше­ния магнитной проницаемо­сти. Характеристика уп­равления ДМУ приведена на рис. 10.4. По оси абсцисс от­ложен ток управления, приведенный к рабочей обмотке

Идеальная ха­рактеристика управления 1 является прямой, идущей из начала координат под углом 45° к оси . Реальная харак­теристика 2 отличается от идеальной наличием тока холос­того хода и плавным переходом от линейной части ха­рактеристики к току

В линейной зоне характеристи­ки соблюдается равенство средних значений МДС

. (10.2)

Рис. 10.4. Характеристика управления ДМУ

Равенство (10.2) не зависит от колебаний питающего на­пряжения, сопротивления нагрузки и частоты источника. Данному значению тока управления всегда соответствует единственное значение тока нагрузки . Таким образом, ДМУ является управляемым источником тока.

Вследствие низких значений коэффициента усиления и большой массы ДМУ в настоящее время применяются редко, в основном как измерительные трансформаторы по­стоянного тока и напряжения. В первом случае роль обмот­ки управления w_y выполняет шина, по которой проходит измеряемый постоянный ток . Под воздействием магнитного потока, созданного током I _у, магнитопроводы 1 и 11 насыщаются (рис. 10.5, а). Рабочие обмотки подключены к источнику переменного напряжения u_Ри создают, магнитные поля с индукцией B_p1 и В_р2. В цепь рабочих обмоток через выпрямительный мост включен из­мерительный прибор ИП, который является нагрузкой уси­лителя. Допустим, в рассматриваемый полупериод вектор индукции В_Р1 совпадает по направлению с вектором ин­дукции В_у управляющего поля обмотки w_y, а вектор ин­дукции В_р2 направлен встречно вектору В_у. В результате магнитопровод 1 насыщен и сопротивление обмотки х_р1 пе­ременному току равно нулю, а магнитопровод 11, наоборот, далек от насыщения. Материал магнитопроводов 1 и 11 име­ет кривую намагничивания, форма которой близка к пря­моугольной. Обозначим через В_s значение индукции насы­щения материала магнитопровода. В таком материале при суммарном значении магнитной индукции напряженность поля и B>B_S и, следовательно, и не оказывает влияния на полное сопротивление цепи рабочих обмоток. В магнитопроводе 11, где < можно записать

,

или

(10.3)

Из этого равенства следует, что ток в течение рассматри­ваемого полупериода повторяет форму тока управления I _у. Так как то и ток в течение данного полупериода, т.е. принимает прямоугольную форму. В сле­дующий полупериод встречно направлены вектора индук­ции В_Р1 и By в магнитопроводе 1. Ток изменит знак, но сохранит прямоугольную форму. На рис. 10., б показаны временные зависимости тока управления I_у, тока в цепи рабочих обмоток и тока протекающего через измери­тельный прибор ИП. Мгновенные значения токов связаны равенством которое выполняется и для средних значений

Реальная форма кривой намагничивания материала магнитопроводов отличается от прямоугольной. Поэтому и форма тока i _pне прямоугольна, а в токе i _Нпоявляются глубокие провалы, что вызывает определенную погрешность измерения.

Рассмотренное устройство может быть использовано и в качестве измерительного трансформатора напряжения постоянного тока. Для этого многовитковая обмотка управ­ления w _у подключается к измеряемому напряжению U через большое добавочное сопротивление (рис. 10.5, в).

Ток в обмотке управления w_y пропорционален напряже­нию: Для уменьшения потерь в добавочном сопротивлении ток берется малым — около 10 мА. Из­мерение этого тока производится так же, как в рассмот­ренной выше схеме.

Рис. 10.5. Схема трансформатора постоянного тока (а), изменение токов в его обмотках (б) и измерительный трансформатор постоянного на­пряжения (в)

УСИЛИТЕЛЬ С САМОНАСЫЩЕНИЕМ (МУС)

а) Физические процессы. Если в цепь рабочей обмотки МУ включить диод, то под действием постоянной состав­ляющей выпрямленного тока происходит подмагничивание магнитопровода. Такие усилители называются усилите­лями с самоподмагничиванием или с само­насыщением (МУС). При рассмотрении такого усилителя (рис. 10.6) примем, что обратное сопротивление диода VD равно бесконечно­сти, а прямое учитывается сопротивлением R_B. В цепи уп­равления включен балластный дроссель Хб для ограниче­ния переменного тока, создаваемого рабочей обмоткой. Полярность напряжения источника, при которой диод про­водит ток, примем за положительную, полупериод, при котором ток проходит через нагрузку, назовем рабочим (РП). Процессы, происходя­щие в МУС, в основном опре­деляются формой динамичес­кой петли гистерезиса материа­ла магнитопровода. Динамиче­ской петлей гистерезиса материала называется зависимость В(Н) при быстром изменении намагничивающего тока. Вслед­ствие магнитной вязкости и вихревых токов в материале процесс перемагничивания замедляется и ширина динамиче­ской петли гистерезиса превышает ширину статической пет­ли. Чем больше тем шире петля гистерезиса. Для материала с высокой степенью прямоугольности кривой намагничивания динамическая петля гистерезиса имеет форму параллелограмма (рис. 10.7, а).

Рис. 10.6. Схема однополупериодного МУС

При отсутствии управляющего поля магнитопровод под-магничивается полем, созданным постоянной составляю­щей тока рабочей обмотки. Под действием этого поля в магнитопроводе устанавливается остаточная индукция В рабочем полупериоде рабочая точка, характе­ризующая состояние магнитопровода, с ростом тока пере­мещается по участку 1— 3. Так как магнитопровод насы­щен, индуктивное сопротивление обмотки w_p равно нулю. Все напряжение источника приложено к активному сопро­тивлению цепи К концу рабочего полупериода состояние магнитопровода вновь возвращается в точку 1. Таким образом, при отсутствии сигнала управления ток нагрузки в рабочий полупериод