7. Общие сведения об импульсных ферромагнитных элементах

С развитием и широким внедрением в практику цифровых вычислительных и управляющих машин появилась потребность в элементах дискретного действия: высоконадежных в эксплуата­ции, простых по устройству, малогабаритных, дешевых. Этим требованиям, связанным с многочисленностью таких элементов (десятки и сотни тысяч в одной машине), отвечают различные по принципу действия бесконтактные элементы дискретного дейст­вия — электронные, ферромагнитные, комбинированные. Широ­ко применяются, в частности, ферромагнитные элементы: бескон­тактные реле, устройства для формирования и передачи импуль­сов, логические элементы, запоминающие устройства и др.

Феррорезонансное реле

Для создания бесконтактных реле используется также явление феррорезонанса. В схемах феррорезонансных реле нет обмоток обратной связи и выпрямителей, поэтому они более надежны, особенно на высоких частотах (не­сколько мегагерц), а их быстродействие позволяет делать сотни тысяч переключений в секунду.

В феррорезонансном контуре к индуктивной катушке (к об­мотке переменного тока, расположенной на ферромагнитном сер­дечнике) конденсатор включен последовательно (резонанс на­пряжений) или параллельно (резонанс токов).

Явление феррорезонанса напряжений рассмотрим с помощью схемы (рис. 12.25, а), где последовательно соединены катушка ин­дуктивности с ферромагнитным сердечником L, конденсатор С и нагрузочный резистор R_н. При таком соединении ток i в цепи отстает от напряжения u_L на катушке на 90° и опережает напря­жение u_c на конденсаторе тоже на 90° (потери энергии в катушке и конденсаторе приняты равными нулю, а ток в цепи — синусои­дальным). Следовательно, векторы напряжений U_L и U_C находят­ся в противофазе (рис. 12.25, б). Входное напряжение U на зажимах цепи уравновешено суммой активного U_а = U_p и реактивного U_p =U_L - U_c падений напряжения: U = U_a + U_p.

Рис. 12.26

а) б)

Рис. 12.25

Схема феррорезонансного реле приведена на рис. 12.26. Кроме основной обмотки переменного тока на сердеч­нике имеются две обмотки постоянного тока: обмотка управления N_ynp и обмотка смещения N_см. При подмагничивании магнитным полем постоянного тока уменьшается магнитная проницаемость материала сердечника, поэтому уменьшаются индуктивное со­противление основной обмотки и падение напряжения в ней.

Запоминающие устройства цифровых вычислительных машин

Действие цифровых вычислительных машин (ЦВМ) осно­вано на двоичной системе счисления, в которой используются только две цифры 0 и 1. Применение двоичной системы обуслов­лено тем, что элементы, применяемые для записи цифр, наиболее надежно и стабильно работают, если имеют два устойчивых состояния, например контакт реле замкнут или разомкнут, элек­тронная лампа заперта или открыта, магнитный сердечник насы­щен до состояния +В, или -В, и т. п. При этом одно состояние выражает цифру 1, а другое — 0.

Свойство ферромагнитного сердечника сохранять сколь угодно долго состояние остаточного магнетизма вместе с возможно­стью перемагничивания от +В_r до -В_r позволяет запоминать информацию в виде остаточной магнитной индукции и передавать информацию в виде электрических импульсов в другие элементы.

Запоминающие устройства (ЗУ) цифровых вычислительных машин делят на оперативные (ОЗУ) и внешние (ВЗУ). В опера­тивных запоминающих устройствах применяют чаще всего ферритовые сердечники диаметром 0,4—1 мм. Такой сердечник и три обмотки на нем образуют ячейку памяти (рис. 12.27), которая обеспечивает возможность записи, хранения и считывания ин­формации. Предположим, что сердечник в состоянии остаточной намагниченности имеет магнитную индукцию -В_r , т. е. выража­ет цифру 0.

Д

Рис. 12.27

ля того чтобы записать 1, в обмотку записи N₁ подают им­пульс тока i₃, величина и полярность которого соответствуют напряженности магнитного поля +N_mах . В результате магнитная индукция в сердечнике изменяется от -В_r до +B_mах поэтому в выходной обмотке N₃ индуктируется импульс э.д.с. отрицатель­ной полярности с амплитудой E₁. С уменьшением тока при окон­чании импульса записи магнитная индукция уменьшается до остаточной величины +В_r т. е. в сердечнике будет записана 1.

Считывание 1 выполняется при подаче импульса тока i_c отри­цательной полярности в обмотку считывания, N₂, при котором создается напряженность поля — N_mах. Магнитная индукция при этом изменяется от +В_r до -B_mах а в выходной обмотке N₃ наводится импульс э.д.с. E₁ положительной полярности, который выражает факт считывания. При уменьшении тока в конце им­пульса считывания магнитная индукция изменяется от -В_max до -В_r и в обмотке N₃ наводится э.д.с. Е₁ отрицательной полярно­сти. Далее сердечник остается в состоянии остаточной намагни­ченности с индукцией -В_r, что соответствует записи 0.

Импульс тока i_с в обмотку N₂ подается и при считывании 0. Магнитная индукция при этом уменьшается от -В_r до -В_max, а по окончании действия импульса она снова изменяется от -В_mах до -В_r в выходной обмотке N₃ наводится импульс э.д.с. E₂, а сердечник остается в прежнем состоянии с остаточной магнитной индукцией -В_r . Импульсы э.д.с. E₁ и E₂, наводимые в выход­ной обмотке N₁, воспринимает формирователь сигналов F, кото­рый усиливает импульс, соответствующий I, и подавляет им­пульс, выражающий 0.

Так с помощью ферритовых сердечников выполняются запись и считывание информации. Формирование и передача импульсов происходят также в различных переключающих устройствах на ферритовых сердечниках, к числу которых можно отнести логиче­ские элементы, сдвиговые регистры, дешифраторы, триггерные схемы.

Для построения внешних запоминающих устройств, применя­ют в основном элементы с магнитной записью — магнитные лен­ты, барабаны, диски. Информация в них записывается и хранится в тонком (10—30 мкм) слое ферромагнитного материала, кото­рый наносят на поверхность запоминающих устройств с по­мощью лака, содержащего мельчайшие частицы ферромагнитно­го порошка, или гальваническим способом. Запись и считывание информации в данном случае происходит так же, как запись и воспроизведение звука магнитофоном, с помощью специальных электромагнитов — магнитных головок.

М

Рис. 12.28

агнитная головка состоит из сердечника с воздушным зазо­ром и обмотки (рис. 12.28). Для записи информации в обмотку головки подаются импульсы тока, вследствие чего создаются импульсы магнитного потока. При наличии воздушного зазора в сердечнике магнитный поток замыкается через слой ферро­магнитного материала, в котором происходит местное намагничи­вание.

В процессе записи поверхность, несущая ферромагнитный слой, равномерно движется относительно магнитной головки (за­зор между ними всего десятки микрон), поэтому каждый импульс оставляет в этом слое свой след — элементарный намагниченный участок, причем характер намагниченности зависит от полярно­сти импульса тока. Информацию можно записать по двум или трем уровням. В первом случае 1 записывается однополярным импульсом, а 0 — отсутствием импуль­са. В этом случае надежность запоми­нающего устройства снижена тем, что цифра 0 и отсутствие информации изо­бражаются одинаково.

Более надежной является запись по трем уровням, когда 1 и 0 записы­ваются импульсами тока разной по­лярности, а отсутствие импульса озна­чает отсутствие информации.

Для считывания информации поверхность запоминающего устройства пропускают под той же или аналогичной по устройству магнитной головкой и в тот момент, когда мимо нее проходит намагниченный учас­ток, в сердечнике возникает импульс магнитного потока, который в обмотке, расположенной на сердечнике, наводит импульс э.д.с. считывания.

Импульсы э.д.с. возникают при считывании 1 и 0, но они отли­чаются полярностью и это дает возможность расшифровать запи­санную ранее информацию, которая в данном случае сохраняется (не стирается) в процессе считывания. Для стирания ее (при необходимости) применяют специальную магнитную головку, в обмотке которой создается переменный ток с постоянно убыва­ющей амплитудой, чем достигается полное размагничивание фер­ромагнитной поверхности.

Контрольные вопросы 

1. В технологической цепочке по производству шарикоподшипников установлен автомат для отбраковки шариков. К какой из трех автоматиче­ских систем можно отнести это устройство?

2. Почему в структурной схеме рис. 12.2, а не обозначен исполнитель­ный орган ИО? Какой элемент этой схемы аналогичен ему по своим фун­кциям?

3. Почему в структурной схеме рис. 12.2, б нет измерительного пре­образователя? Какой элемент этой схемы аналогичен ему по своим фун­кциям?

4. Система автоматического регулирования выполняет функции кон­троля и управления. Как это отражено в структурной схеме рис. 12.2, в?

5. В чем сходство и различие следящей системы и системы програм­много управления?

6. Какая лампа на схеме рис. 12.3, сигнализирует о том, что размеру детали больше допустимого? меньше допустимого?

7. Какую роль играет чувствительность измерительного преобразователя в оценке качества его работы?

8. Почему индуктивные измерительные преобразователи не используются в работе на постоянном токе?

9. Как изменяется величины магнитного сопротивления магнитопровода и индуктивного сопротивления обмотки измерительного преобразователя (см. рис. 12.7, а), при увеличении воздушного зазора?

10. В какую сторону изменяется емкость измерительного преобразователя (см. рис. 12.8, д) при увеличении и уменьшении толщины контролируемой ленты?

11. На рис. 12.7, а и 12.9 показаны схемы измерительных преобразо­вателей, у которых изменение выходной величины связано с изменением воздушного зазора 6 между якорем и сердечником. В чем состоит принци­пиальное отличие между ними? Какой из них называют дроссельным, а какой трансформаторным?

12. Вращающийся трансформатор по устройству подобен асинхронной машине. Почему все-таки его называют трансформатором?

13. Тахогенератор постоянного тока по схеме независимого возбужде­ния дает более точный результат измерения частоты вращения, чем тахо­генератор с самовозбуждением. Чем это объясняется?

14. В тахогенераторах в качестве источника магнитного поля применя­ют электромагниты или постоянные магниты. Какие ферромагнитные материалы применяют в том и другом случае?

15. Для электромагнитных систем имеется общая закономерность: электромагнитные силы действуют в направлении, которое соответствует увеличению магнитного потока. Как проявляется эта закономерность в электромагнитах, показанных на рис. 12.12?

16. В числе достоинств исполнительного двигателя постоянного тока с полым ротором отмечено отсутствие искрения на коллекторе вследствие малой индуктивности обмотки якоря. Почему индуктивность обмотки якоря влияет на условия коммутации?

17. Основной недостаток исполнительного асинхронного двигателя с полым ротором связан с величиной немагнитного зазора в его магнитной цепи. Почему с увеличением немагнитного зазора увеличивается ток намагничивания и уменьшается к.п.д. двигателя?

18. Неподвижный магнитопровод исполнительных двигателей с полым ротором состоит из двух частей — внешней и внутренней (см. рис. 12.14, 12.15). Как объяснить эти конструктивные особенности исполнительных двигателей?

19. В каком порядке надо менять полярность полюсов, чтобы ротор шагового двигателя (см. рис. 12.16) перемещался против движения часо­вой стрелки?

20. Что такое ток срабатывания и ток отпускания электромагнитно­го реле?

21. Как следует изменить (увеличить или уменьшить) натяжение воз­вратной пружины электромагнитного реле, чтобы уменьшить ток срабаты­вания? Как при этом изменится ток отпускания?

22. Для устранения влияния температуры окружающей среды тепловое реле иногда имеет кроме основной еще и компенсационную биметалличе­скую пластинку (см. рис. 12.18, поз. 5). Как объяснить действие компенса­ционной пластинки?

23. На рис. 12.19,6 показана схема шагового распределителя с об­ратным приводом. Чем отличается от него распределитель с прямым приводом?

24. Для передачи в кабину пилота информации о положении закрылков на самолетах применяют сельсинные передачи. Какой режим (индикатор­ный или трансформаторный) следует использовать для такой передачи?

25. Какая связь между вольтамперными характеристиками 1 дроссе­лей (см. рис. 12.21) и характеристиками намагничивания материалов их сердечников?

26. Почему ферромагнитные стабилизаторы напряжения работают только в цепях переменного тока?

27. Какую роль в работе магнитного усилителя играет подмагничива­ние его сердечника постоянным током?

28. Почему магнитные усилители большой мощности изготовляют на ферромагнитных сердечниках из трансформаторной стали, а для усиления слабых сигналов применяют сердечники из железоникелевых сплавов (пермаллоев)?

29. Какую роль играет обратная связь в магнитном усилителе?

30. Почему вольтамперная характеристика U_L(I) катушки с ферро­магнитным сердечником по форме повторяет характеристику намагничи­вания материала сердечника В(H)?

31. Феррорезонансное реле может быть в режимах повторителя и ин­вертора. В чем состоит основное различие этих режимов?

32. В чем состоит основная особенность действия триггера?

33. Почему для изготовления ферромагнитных запоминающих эле­ментов ЦВМ применяют магнитные материалы с прямоугольной петлей магнитного гистерезиса?

34. Почему полное размагничивание ферромагнитного сердечника ка­тушки достигается в том случае, если в обмотке имеется переменный ток с плавно убывающей амплитудой?