3. Магнитный усилитель без обратной связи

Схема магнитного усилителя без обратной связи изображена на рис. 3.1 и содержит две цепи: рабочую и управляющую.

Рис. 3.1

Рабочая цепь представляет собой последовательное соединение сопротивления нагрузки и двух рабочих обмоток с числом витков и и подключена к источнику переменного напряжения . Усиливаемый сигнал постоянного тока подается в общую для двух сердечников обмотку управления .

На основании описания физических процессов в магнитном усилителе [1,2] можно сделать вывод, что он представляет собой своеобразный ключевой элемент, который "замыкает" цепь нагрузки в момент насыщения одного из сердечников. При этом момент насыщения пропорционален амплитуде сигнала уравнения . Из основного закона идеального магнитного усилителя , где - среднее за полупериод значение напряженности переменного поля, легко получить выражение для коэффициента усиления по току

(3.1)

откуда следует, что магнитный усилитель без обратной связи является стабильным управляемым источником тока, так как ток нагрузки зависит лишь от входного сигнала и отношения витков обмоток.

Увеличение тока нагрузки возможно до тех пор, пока ток управления не создаст напряженность, достаточную для насыщения сердечников. В этом случае все напряжение сети прикладывается к нагрузке, а такое состояние схемы называется режимом короткого замыкания.

Ток нагрузки при этом достигает максимальной величины

.

4. Магнитный усилитель с внешней обратной связью

К ак следует из выражения (3.1), магнитный усилитель без обратной связи обладает очень низким коэффициентом усиления по току, так как существует много препятствий на пути искусственного увеличения (это не технологично, ухудшаются динамика и энергетика усилителя). Однако высокая стабильность регулировочной характеристики позволяет вводить положительную обратную связь, не нарушая устойчивой работы усилителя. Суть этого приема состоит в том, что ток нагрузки выпрямляется и подается в специальную обмотку , создавая напряженность .

Если действует согласно с напряженностью управления, обратная связь будет положительной (рис 4.1), если встречно - отрицательной. Рис. 4.1

Основной закон магнитного усилителя для случая положительной, обратной связи записывают в виде [1]:

,

откуда после перехода к токам получают новый вид регулировочной характеристики:

,

где

.

Нетрудно видеть, что по мере приближения к числу витков рабочей обмотки большая часть напряженности постоянного поля

,

создается обмоткой , a на долю обмотки управления остается незначительная часть.

Это равносильно увеличению общего коэффициента по току и мощности :

; .

При магнитный усилитель переходит в релейный режим.

5. Магнитный усилитель с самонасыщением

Для магнитного усилителя с самонасыщением (МУС) характерным является то, что по каждой из его рабочих обмоток могут протекать только однополупериодные импульсы выходного тока. Схема МУС с выходом на переменном токе приведена на рис. 5.1.

В тех полупериодах напряжения сети, когда открыт диод D1, по первой рабочей обмотке течет выходной ток и, следовательно, первый сердечник находится под воздействием двух напряженностей: H_р и H_у. Эти полупериоды для левой половины схемы являются рабочими, так как она «отдает» в нагрузку ток. При этом действие рабочей цепи на сердечник 1 настолько превышает влияние цепи управления, что током управления можно пренебречь.

В следующих полупериодах, которые называются управляющими, диод D1 закрыт. Поэтому H_р=0 и на сердечник 1 действует напряженность, создаваемая током управления.

Рис. 5.1

Схемы двухполупериодных МУС строятся таким образом, чтобы рабочий полупериод одной половины схемы совпадал по времени с управляющим полупериодом второй.

Рабочая и управляющая напряженности направлены навстречу друг другу. Поэтому в рабочие полупериоды напряжения сети сердечники намагничиваются до положительного насыщения, а управляющий сигнал, создаваемый током в , размагничивает их от в направлении отрицательных индукций. Физические процессы в МУС легко уяснить с помощью диаграмм на рис. 5.2. Исходное состояние соответствует началу рабочего полупериода левой половины схемы (точка 0, рис.5.2,а,б), когда индукция первого сердечника начинает изменяться со значения , достигнутого в предыдущем полупериоде под действием входного сигнала .

а б

Рис. 5.2

С возрастанием напряжения сети сердечник перемагничивается в состояние 1. При этом через нагрузку протекает незначительный ток . Индукция , постоянная на участке (0 - 1), возрастает затем по косинусоидальному закону и в момент достигает насыщения. В оставшуюся часть полупериода напряжение сети прикладывается к нагрузке.

В это же время правая половина схемы находится в управляющем полупериоде. Сигнал управления размагничивает сердечник 2 от до . Для двухполупериодных схем характерным является то, что размагничивание сердечников в управляющих полупериодах происходит с той же скоростью, с какой изменяется индукция в рабочих полупериодах. Поэтому суммарный поток, охватываемый обмоткой управления , остается почти неизменным и, следовательно, наводимая в э.д.с. близка к нулю.

Выходное напряжение МУС определяется разностью между и падением напряжения на обмотке того сердечника, который находится в рабочем полупериоде, т. е.

.

Это равенство, записанное для средних значений за полупериод, сводится к виду [1]:

,

где - коэффициент полезного действия рабочей цепи. Таким образом, среднее значение напряжения нагрузки зависит только от диапазона перемагничивания сердечников . Поэтому управление схемой сводится к изменению величины за счет тока управления.

У меньшенный входной сигнал (рис. 5.2, а) способен размагнитить сердечники в управляющих полупериодах на величину , что приводит к сокращению диапазона перемагничивания. Момент насыщения сердечников достигается раньше, и напряжение на нагрузке растет. При нулевом управляющем сигнале к нагрузке прикладывается максимальное напряжение, а режиму холостого хода соответствует наибольший входной сигнал.

Регулировочная характеристика МУС представлена на рис. 5.3. Высокий коэффициент усиления на рабочем участке (2-3) характеристики объясняется тем, что входной сигнал используется только для размагничивания сердечников усилителя в

Рис. 5.3 управляющих полупериодах. Поэтому усилитель с самонасыщением практически любой мощности требует одной и той же управляющей напряженности , которая соответствует достижению режима холостого хода в точке 2 регулировочной характеристики. Этим и объясняется тот факт, что МУС по своим характеристикам приближается к схемам с внешней ПОС при .

Максимальное значение напряжения сети, которое может быть подано на схему для обеспечения высокой кратности регулирования, называется предельным и равно

.