7.2. Магнитный усилитель

В магнитном усилителе (МУ) для увеличения сигнала используют индуктивное сопротивление. В качестве управляемого индуктивного сопротивления применяют дроссель со стальным сердечником. Индуктивное сопротивление изменяют подмагничиванием.

Схема магнитного усилителя с самоподмагничиванием (самонасыщением) (рис.22) имеет высокий коэффициент усиления, быстродействие. Магнитный усилитель с самоподмагничиванием состоит из следующих элементов: 1, 1' – два одинаковых сердечника (из листовой электротехнической ста­ли); 2, 2' – полуобмотки рабочей обмотки, где w_р – число витков полуобмотки, полуобмотки включа­ются параллельно и встречно; VD1, VD2 – диоды, включены последовательно с полуобмотками; R_н – сопротивление нагрузки, включено последовательно в цепь переменного тока; 3 – обмотка управления с числом витков w_у, питается постоянным напряжением U_у.

Если управляемых сигналов несколько, то в сердечниках располагается несколько обмоток управления.

Каждая рабочая полуобмотка 2, 2' проводит ток только в течение одного полупериода питающего переменного напряжения U_п (рис.23, а). Рассмотрим протекание процесса только в сердечнике 1 (см. рис.22) в течение первого полупериода (от 0 до ). К началу первого полупериода в сердечнике 1 имеется начальный магнитный поток ₀ (рис.23, б). Он создается магнитодвижущей силой F_у при протекании по обмотке управления 3 тока I_у. Начальный поток определяется по кривой намагничивания сердечника. Процесс намагничивания будет продолжаться до момента насыщения сердечника (_s).

Время, в течение которого сердечник намагничивается, называется интервалом возбуждения и характеризуется углом насыщения . В этот интервал в нагрузке протекает небольшой намагничивающий ток I_, поскольку все напряжение питания прикладывается к дросселю из-за его большого индуктивного сопротивления (рис.23, г).

При насыщении сердечника наступает интервал насыщения, который продолжается до конца полупериода. В этом интервале поток сердечника остается неизменным; индуктивность дросселя мала и при этом практически все питающее напряжение U_п прикладывается к нагрузке R_н. Ток I_н в нагрузке резко возрастает (рис.23, г) и протекает в течение всего периода насыщения, т.е. от момента насыщения сердечника, определяемого углом , до конца полупериода, определяемого углом .

В течение другого полупериода (от  до 2) в другом сердечнике 1' происходят аналогичные процессы.

Среднее значение тока в нагрузке зависит от длительности протекания тока I_н в интервале насыщения. Длительность протекания тока определяется углом насыщения  (см. рис.23, г). Среднее значение тока в нагрузке

. (12)

Из выражения (12) видно, что ток I_н.ср определяется напряжением U_п, нагрузкой R_н, углом насыщения  и временем насыщения. Угол  зависит от степени начального намагничивания ₀.

Значение изменения потока ∆₁ в течение интервала возбуждения определяется из выражения

.

Чем больше начальный поток _0, тем меньше ∆₁, тем меньше угол  и больше средний ток нагрузки I_н.ср и наоборот. Следовательно, изменяя начальное подмагничивание, можно изменять ток нагрузки I_н.

Основные характеристики магнитного усилителя. Рассмотрим следующие характеристики.

1. Характеристика управления – это зависимость среднего значения тока нагрузки I_н.ср от магнитодвижущей силы F_у (рис.24), где м.д.с. определяется формулой

–F_у = w_у I_у.

Для уменьшения тока нагрузки I₀₁ при отсутствии тока управления I_у на сердечниках усилителя предусматривают дополнительную обмотку, которая называется обмоткой смещения и питается от постороннего источника. В обмотке смещения устанавливают необходимую величину м.д.с. F_см смещения, которая обеспечивает требуемое значение начального тока I_02.

2. Коэффициент кратности тока нагрузки

k_i = I_max/I₀,

где I₀ – ток холостого хода, требуемый для перемагничивания сердечника.

3. Коэффициент усиления – характеризует усилительные свойства МУ; коэффициент усиления по мощности

k_Р = Р_н/Р_у,

где Р_н – мощность нагрузки; Р_{у –} мощность управления (т.е. потери в сопротивлении обмотки управления r_у от тока управления I_у.ном, обеспечивающего номинальный ток нагрузки).

4. Скорость установления выходного напряжения – характеризует быстродействие МУ, которое определяет скорость установления потока ₀. Поток ₀ изменяется по закону

₀ = _{0 уст} (1 – е^-t/T)_,

где _0уст – установившееся значение потока, которое практически достигается за 3Т; Т – постоянная времени.

Реверсивный магнитный усилитель. Магнитный усилитель работает на переменном токе. Для обеспечения в нагрузке постоянного по направлению тока в цепи на выходе усилителя включают выпрямитель. Для обеспечения реверсирования тока нагрузки применяют двухтактные магнитные усилители (рис.25).

Балластные сопротивления R_б предназначены для предотвращения короткого замыкания в контуре. Этот контур в схеме образован последовательным соединением усилителей.

В этой схеме ток нагрузки является разностью токов I₁ и I ₂ обоих магнитных усилителей. Обмотки управления усилителей включены последовательно и встречно. Поэтому при увеличении тока управления в одном направлении ток одного усилителя увеличивается, а другого – падает (рис.25, б). Разность токов в нагрузке при этом возрастает. Увеличение тока управления в другом направлении также приводит к возрастанию тока нагрузки, но уже при другой полярности.

Недостатки двухтактных схем – необходимость наличия двух усилителей и большие потери в балластных сопротивлениях. Коэффициент полезного действия лучших двухтактных усилителей не превышает 45 %.