Магнітні підсилювачі

Магнітним підсилювачем (МП) називається підсилювач електричних сигналів, дія якого засновано на використанні нелінійності характеристик феромагнітних матеріалів. МП застосовуються в різноманітних пристроях: від точних вимірювальних приладів до схем автоматичного керування великими виробничими агрегатами (прокатними станами, екскаваторами й т.п.). Широке застосування МП визначається їх перевагами:

· більшим терміном служби, високою надійністю, простотою експлуатації;

· широким діапазоном посилюваних потужностей: від 10^-13... 10^-6 Вт до кілька десятків і навіть сотень кВт; постійною готовністю до роботи;

· можливістю підсумувати на вході кілька керуючих сигналів;

· значною перевантажувальною здатністю; пожежо- і вибухобезпечністю;

· стабільністю характеристик у процесі експлуатації. Магнітні підсилювачі розрізняють по наступних ознаках: виду статичної характеристики - однотактные (нереверсивні) і двотактні (реверсивні);

· способу здійснення зворотному зв'язка - без ЗЗ і з ЗЗ (зовнішньої, внутрішньої, змішаної);

· формі кривої вихідної напруги - з виходом на несучій або подвоєній частоті, на постійному або струмі, що випрямлюється, і т.д.;

· способу включення навантаження - з послідовним і паралельним включенням навантаження й робочих обмоток;

· числу й конструкції осердь в однотактній схемі - з одним двостержневым або тороїдним сердечником, із двома сердечниками, три- і чотиристержневим осердями;

· способу здійснення зсуву - постійним або змінним струмом і шунтуванням випрямлячів ОС;

· режиму роботи - лінійні (або пропорційні) і релейні.

Найпростіші МП без ЗЗ виконуються у вигляді двох однакових трансформаторів. Робочі обмотки цих трансформаторів із числом витків w_р включаються послідовно із джерелом живлення змінної напруги U (рис.5.8). Керуючі обмотки із числом витків w_y включаються зустрічно щодо робочих обмоток для усунення трансформаторного зв'язку між ланцюгами, утвореними керуючими й робітниками обмотками. Посилюваний сигнал постійного струму I_у надходить у керуючі обмотки w_y трансформаторів і внаслідок нелінійного характеру кривій намагнічування сердечників викликає зменшення їх магнітної проникності й пропорційне зменшення індуктивності L₁ робочих обмоток.

Пристрій, що має схему, наведену на рис.5.8, часто називають дроселем насичення або керованим дроселем, тому що, змінюючи ступінь магнітного насичення його сердечників шляхом підмагнічування їх постійним струмом, можна в широких межах змінювати індуктивність робочих обмоток. Навантаження R_H, показана на малюнку пунктиром, включається в ланцюзі змінного струму паралельно або частіше послідовно з керованою індуктивністю.

Рис. 5.8. Схема спрощеного МП на двох трансформаторах

Струми I₁ і I₂, що протікають відповідно в робочій і керуючої обмотках трансформаторів, створюють магнітні поля, які протягом одного півперіоду змінного струму в одному із сердечників мають однакові, а в іншому - протилежні напрямки. У результаті перший сердечник насичується, а другий залишається ненасиченим. Для ненасиченого сердечника слушне рівняння звичайного трансформатора:

де I_μ - струм, що намагнічує, трансформаторів.

При відсутності сигналу на вході підсилювача I₂ = 0 і I₁ = I_μ. У цьому режимі середнє значення струму навантаження має мінімально можливе значення, рівне току холостого ходу трансформатора I_хх.

При наявності істотного сигналу I_у на вході підсилювача звичайно можна зневажити, що складає I_μω_р у правій частині рівняння ампервитків у порівнянні з I₂w_у. Тоді, інтегруючи в межах півперіоду, протягом якого розглянутий сердечник ненасичений, одержимо

тобто струм навантаження в схемі на рис.5.8 визначається лише струмом керування й конструктивними параметрами підсилювача й не залежить від навантаження.

Коефіцієнти підсилення по струму k₁ і потужності k_Р для найпростішого МП:

де R_y - активний опір керуючий обмотки.

Істотним недоліком таких МП є їх відносно висока інерційність, яку звичайно характеризують постійної часу τ ланцюга керування: τ = kp/4ηf, де η - ККД ланцюги навантаження; f- частота джерела живлення. Для зменшення інерційності магнітних підсилювачів застосовують змінний струм підвищеної частоти (400... 10 000 Гц і вище).

Основні характеристики магнітного підсилювача. Розглянемо наступні характеристики.

1. Характеристика керування – це залежність середнього значення струму навантаження I_н.ср від магніторушійної сили F_у (рис. 5.9.), де МРС визначається формулою –F_у = w_у I_у.

Рис. 5.9. Характеристика керованого МП: І01 – струм навантаження при відсутності струму керування (Іу=0); І02 – початкове значення струму; Fсм – МРС зсуву; Imax – максимальний струм навантаження наприкінці лінійної частини характеристики

2. Коефіцієнт кратності струму навантаження

k_i = I_max/I₀,

де I₀ – струм холостого ходу, необхідний для перемагнічування сердечника.

3. Коефіцієнт підсилення – характеризує підсилювальні властивості МУ; коефіцієнт підсилення по потужності

k_Р = Р_н/Р_у,

де Р_н – потужність навантаження; Р_у – потужність керування (тобто втрати в опорі обмотки керування rу від струму керування I_у.ном номінальний струм, що забезпечує, навантаження).

4. Швидкість установлення вихідної напруги – характеризує швидкодія МУ, яке визначає швидкість установлення потоку F₀. Потік F₀ змінюється за законом

F₀ = F_{0 вуст} (1 – е^-t/T),

де F_0вуст – значення, що встановилося, потоку, яке практично досягається за 3Т; Т – постійна часу.

Магнітний підсилювач

У МП для збільшення сигналу використовують індуктивний опір. У якості керованого індуктивного опору застосовують дросель зі сталевим сердечником. Індуктивний опір змінюють підмагнічуванням.

Рис. 5.10. Схема МП з самопідмагнічуванням.

Схема МП із самопідмагнічуванням (самонасиченням) (рис.5.10) має високий коефіцієнт підсилення, швидкодія. Магнітний підсилювач із самопідмагнічуванням складається з наступних елементів: 1, 1' – два однакові сердечники (з листової електротехнічної сталі); 2, 2' – напівобмотки робочої обмотки, де w_р – число витків напівобмотки, напівобмотки включаються паралельно й зустрічно; VD1, VD2 – діоди, включені послідовно з напівобмотками; R_н – опір навантаження, включений послідовно в ланцюг змінного струму; 3 – обмотка керування із числом витків w_у, харчується постійною напругою U_у.

Реверсивний магнітний підсилювач.

Магнітний підсилювач працює на змінному струмі. Для забезпечення в навантаженні постійного по напрямкові струму в ланцюзі на виході підсилювача включають випрямляч. Для забезпечення реверсування струму навантаження застосовують двотактні магнітні підсилювачі (рис.5.11).

Рис. 5.11. двотактний магнітний підсилювач: а - схема МП; б – характеристики керування.

Баластові опори R_б призначені для запобігання короткого замикання в контурі. Цей контур у схемі утворений послідовним з'єднанням підсилювачів.

У цій схемі струм навантаження є різницею струмів I₁ і I₂ обох магнітних підсилювачів. Обмотки керування підсилювачів включені послідовно й зустрічно. Тому при збільшенні струму керування в одному напрямку струм одного підсилювача збільшується, а іншого – падає (рис.5.11,б). Різниця струмів у навантаженні при цьому зростає. Збільшення струму керування в іншому напрямку також приводить до зростання струму навантаження, але вже при іншій полярності.

Недоліки двотактних схем – необхідність наявності двох підсилювачів і більші втрати в баластових опорах. Коефіцієнт корисної дії кращих двотактних підсилювачів не перевищує 45 %.

Магнітні підсилювачі із самонасиченням

Кращими динамічними характеристиками, тобто меншою інерційністю при даному kР, мають МП із самонасиченням. Найпростіша схема МП із самонасиченням, на базі якої будуються більш складні схеми, дана на рис. 5.12. Ідеалізована петля гістерезису феромагнітного осердя МП представлена на рис.5.13. Наявність випрямляча В (рис.5.12) у ланцюзі робочої обмотки (обмотка w_р підсилювача, послідовно з якої включено навантаження R_H) приводить до того, що напруга живлення U прикладене до цієї обмотки й навантаженню лише протягом провідного для випрямляча півперіоду, називаного робітником.

Якщо керуюча напруга дорівнює нулю, то в керуючий півперіод індукція не змінюється й вихідною точкою струму буде крапка Bs. Отже, протягом усього робочого півперіоду струм у навантаженні буде іти за зміною напруги. Діаграми зміни індукції В у сердечнику, струму навантаження I_н, струму в обмотці керування Iу в часі t дані на рис.5.14. Залежність струму I_н навантаження від струму I_у в обмотці керування для магнітних підсилювачів із самонасиченням наведена на рис.5.15.

Рис. 5.12. Схема однотактного МП з самонасиченням.	Рис. 5.13. Залежність індукції В від напруженності магнітного поля Н феромагнітного осердя МП.	Рис. 5.14. Діаграми зміни індукції В в осерді МП з самонасиченням, струму навантаження Ін та струму керування Іу у часі t.
	Рис. 5.15. Статична характеристика однотактного МП з самонасиченням.

Характеристики подібного типу називаються статичними характеристиками, а ділянка АТ - робочою ділянкою. Магнітний підсилювач, що володіє статичною характеристикою, показаної на рис.5.15, називають однотактным (нереверсивним). Основна особливість такого підсилювача в тому, що при зміні полярності керуючого сигналу струм у навантаженні, змінюючись за значенням, залишається увесь час однополярним.

Схема, наведена на рис.5.12, є основою - типовим елементом при створенні більшості сучасних магнітних підсилювачів. Робочі півперіоди двох сердечників у схемах на рис.10.6, 10.7 зрушені друг щодо друга на половину періоду живлячого напруги. Обмотки керування двох сердечників з'єднані між собою так, щоб у ланцюзі керування не наводилася живляча напруга. Якщо в однотактному МП (рис.5.12) струм на виході з'являється лише протягом одного з півперіодів живлячого напруги, то в підсилювачах, представлених на рис.5.16 і 5.17, він з'являється протягом кожного півперіоду живлячого напруги.

Рис. 5.16. Схема МП для навантаження змінноим струмом.

Рис. 5.17. Схема МП для навантаження постійним струмом.

Магнітні підсилювачі зі зворотними зв'язками

У МП із самонасиченням по робочих обмотках поряд зі змінною протікає й постійна складова напруги, яка додатково подмагничивает сердечники. Із цієї причини їх іноді називають МП з внутрішнім зворотним зв'язком. У таких підсилювачах більшу частину поля підмагнічення становить саме магнітне поле зворотного зв'язку й лише порівняно невелику частину - магнітне поле керуючого сигналу.

Рис. 5.18. Схема МП із зовнішнім зворотним зв’язком.

Рис. 5.19. Схема МП із змішаним зворотним зв’язком.

Магнітне поле зворотного зв'язку може бути створене, наприклад, шляхом подачі струму навантаження в спеціальну обмотку зворотного зв'язку w_зз (рис.5.18), називану зовнішньої.

Використання внутрішнього зворотного зв'язку, особливо в потужних МП (у порівнянні з МП із зовнішнім зворотним зв'язком) суттєво підвищує їх ККД і максимальну потужність.

Для досягнення більших значень k_о.с у схеми підсилювачів із внутрішнім зворотним зв'язком додатково вводиться обмотка зворотного зв'язку (рис.5.20). Оскільки в цьому випадку в підсилювачі діє як внутрішній, так і зовнішній зворотний зв'язок, цю схему часто називають схемою зі змішаним зворотним зв'язком.

Динамічні властивості магнітних підсилювачів із самонасиченням характеризуються постійною часу

де k_u - коефіцієнт підсилення по напрузі, k_u = ΔU_H/Δu_y.

Двотактні магнітні підсилювачі

Двотактним магнітним підсилювачем (ДМП) називається підсилювач, що володіє статичною характеристикою, при якій зміна полярності керуючого сигналу викликає зміна полярності вихідної напруги або зміна фази вихідної напруги на 180° (рис.5.20).

Рис. 5.20. Статична характеристика двотактного МП.

Двотактні схеми нерідко застосовують для підвищення стабільності характеристик підсилювача або зниження струму холостого ходу, рівного I_hmin, і підвищення коефіцієнта кратності струму навантаження I_hmax/I_hmin навіть у тих випадках, коли не потрібно змінювати фазу або полярність вихідної напруги. Двотактні магнітні підсилювачі можуть бути виконані зі зворотним зв'язком і без нього, а також по спеціальних швидкодіючих схемах.

Рис. 5.21. Дифференційна схема двотактного МП.

ДМП з виходом на несучій частоті застосовуються головним чином для керування двигунами змінного струму і їх реверсування, а також у якості магнітних модуляторів.

ДМП з виходом на постійному струмі використовуються для керування двигунами постійного струму і їх реверсування, а також для керування полем генератора постійного струму, поляризованими електромагнітами, реле, муфтами і т.д. Найпростіші двотактні МП звичайно виконуються шляхом з'єднання двох однотактних підсилювачів за диференціальною схемою (рис.5.21). Обоє підсилювача в цій схемі харчуються від одного трансформатора Т_р із двома однаковими вторинними обмотками. Струми зсуву I'_см і I_см’’ вступники в обмотки w_см, створюють початкове поле підмагнічення. Змінний опір R_см служить для балансування (установки нуля) підсилювача при відсутності сигналу на його вході. Струм посилюваного сигналу I_у надходить в обмотки w_у й створює магнітне поле, що збігається по напрямкові з полем зсуву в одній парі сердечників протилежний напрямок, що й має, в іншій парі. Тому струм I₁ на виході одного підсилювача росте, а струм I₂ на виході іншого підсилювача зменшується. Завдяки тому, що в навантаженні ці струми віднімаються, на виході підсилювача з'являється струм навантаження, значення якого I_н = I₁ - I₂. При відсутності сигналу на вході підсилювача I₁ = I₂ і струм навантаження дорівнює нулю. При зміні полярності керуючого сигналу струм I₁ на виході першого підсилювача починає зменшуватися, а струм I₂ на виході другого підсилювача зростає. При цьому результуючий струм I_н змінить свою фазу на 180°.

Дата добавления: 2014-01-07