36. Магнитні підсилювачі: призначення та класифікація. Простішіі однотактні та двутактні (диференційні) мп: схеми, загальна будова, принцип дії. Область застосування.

Магнитным усилителем является электромагнитное устройство, предназначенное для усиления электрических сигналов. Принцип работы магнитного усилителя основан на использовании нелинейных характеристик ферромагнитных материалов. Такие достоинства магнитных усилителей, как высокая надежность, большая выходная мощность, питание непосредственно от сети переменного тока, возможность усиления малых сигналов, простота суммирования большого числа входных сигналов на гальванически развязанных обмотках, большая перегрузочная способность по входу и выходу, возможность сочетания функций усиления с функциями модулирования, высокая стабильность нуля и другие обеспечили их широкое применение в автоматических системах регулирования. Их используют как усилители входных сигналов, поступающих от датчиков и других элементов систем автоматики, применяют в измерительных устройствах. Они могут выполнять функции преобразования, суммирования, умножения интегрирования и дифференцирования сигналов, стабилизации напряжения и частоты источников питания.

Существенным недостатком магнитных усилителей является значительная инерционность по сравнению с электронными и полупроводниковыми, обусловленная индуктивностью обмоток.

Характеристики магнитного усилителя в значительной степени определяются свойствами магнитных материалов, конструкцией, размерами и технологией изготовления сердечников. Наибольшее применение в магнитных усилителях нашли железоникелевые сплавы – пермаллои. Они имеют меньшие значения индукции насыщения, но позволяют получать высокочувствительные магнитные элементы за счет малой напряженности Нс и высокой начальной магнитной проницаемости.

Наилучшее использование магнитных свойств материала сердечника и наилучшие характеристики магнитного усилителя достигаются при использовании тороидальных (кольцевых) сердечников, навиваемых из ленты или набираемых из штампованных колец. В сердечниках этого типа отсутствуют воздушные промежутки на пути потока и рассеяние, а также достигается наибольшее равномерное намагничивание сердечника по длине магнитопровода.

Физическая картина процессов происходящих в магнитном усилителе, характеризуется, как и во всяком электромагнитном устройстве, двумя родами величин: магнитными и электрическими. Связь между ними устанавливается посредством двух законов электротехники: закона электромагнитной индукции и закона полного тока. Согласно первому из них, если приложенное к обмотке напряжение синусоидально и уравновешивается Э.Д.С. самоиндукции, то действующее значение напряжения связывается с максимальным значением индукции в сердечнике посредством уравнения:

, (1.1)

где U - действующее напряжение, приложенное к обмотке, В; f - частота питающего напряжения, Гц; W - число витков обмотки; S - площадь поперечного сечения сердечника, м²; Вм - максимальное значение индукции в сердечнике, Тл.

Согласно закону полного тока для однородного сердечника, у которого напряженность магнитного поля вдоль всего пути является постоянной величиной и совпадает по направлению с касательной к пути, имеется следующая зависимость между напряженностью поля и величиной тока в обмотке:

, (1.2)

где H - напряженность магнитного поля в сердечнике, А/м; I - ток в обмотке, А;   - средняя длина пути потока в сердечнике, м.

Простейший (дроссельный) магнитный усилитель (рис. 1.1) содержит ферромагнитный сердечник, на который помещена обмотка постоянного тока Wу (обмотка управления) и обмотка переменного тока Wр (рабочая обмотка), включенная последовательно с нагрузкой Zн к источнику переменного напряжения U~. На обмотку управления Wу подается усиливаемый сигнал постоянного тока Uу . Усиленный сигнал Uн снимается с сопротивления нагрузки Zн.

Переменный ток, протекающий по рабочей обмотке Wр:

, (1.3)

где R - суммарное активное сопротивление нагрузки и обмотки Wр;

 - индуктивное сопротивление рабочей обмотки.

, (1.4)

где Wp – число витков рабочей обмотки; S – площадь поперечного сечения сердечника, м²;  – средняя длина пути магнитного потока, м; µ - магнитная проницаемость вещества сердечника, Гн/м; µ₀ – магнитная постоянная, Гн/м.

Из формул видно, что при постоянном напряжении питания U~ и постоянных обмоточных данных Wp изменять ток нагрузки Iн можно только за счет магнитной проницаемости сердечника.

, (1.5)

где В и Н – индукция и напряженность магнитного поля в сердечнике.

Рисунок 1.1. - Дроссельный магнитный усилитель

Известно, что у ферромагнитных материалов индукция В нелинейно зависит от напряженности магнитного поля Н рис.1.2. Пусть ток через обмотку управления Wу Iу=0. При изменении напряжения питания U~ по синусоидальному закону будет изменяться по тому же закону индукция и напряженность магнитного поля в сердечнике (кривые а и а’). магнитная проницаемость при этом не меняется, т.к. рабочий участок кривой намагничивания находится в линейной области «0». При подаче управляющего сигнала в обмотку управления, т.е. когда Iу≠0, возникает постоянное магнитное поле в сердечнике и рабочий участок кривой намагничивания перемещается вверх, попадая в нелинейную область «N» при соответствующем токе Iу. В этом случае сердечник будет находиться в режиме близком к насыщению. Магнитная проницаемость резко падает, что видно из выражения, записанного на основании (1.5)

.

Следовательно, будет уменьшаться индуктивность рабочей обмотки Lр (1.4), и увеличиваться ток нагрузки Iн (1.3). В нелинейной области «N» рост постоянной составляющей индукции В, определяемый ростом Iу, вызовет увеличение переменной составляющей напряженности H~ магнитного поля (кривые δ и δ’). Практически переменная составляющая напряженности магнитного поля создается током в цепи нагрузки Iн. По закону полного тока   откуда 

Рисунок 1.2 – Характеристика намагничивания ферромагнитных материалов

Таким образом, переменный ток Iн в нагрузке зависит от величины постоянного тока в обмотке управления Wу. Рассмотренная схема простейшего магнитного усилителя рис.1.1 обладает двумя существенными недостатками, которые делают его практически непригодным для использования. Первый недостаток – в обмотке управления индуктируется достаточно большая Э.Д.С. переменного тока ввиду чего усилитель либо совсем не будет управляться, либо будет управляться весьма плохо. Второй недостаток заключается в том, что как видно из рис.1.2 ток в нагрузке несимметричен, содержит как нечетные, так и резко выраженные четные гармоники. Первый недостаток можно ослабить включением большой индуктивности, которая снизит величину переменной составляющей тока в цепи обмотки управления, однако это приведет к заметному увеличению постоянной времени, а следовательно - инерционности усилителя, к тому же второй недостаток сохранится.

Однотактный магнитный усилитель

Для устранения недостатков простейшего магнитного усилителя применяют конструкцию, состоящую из двух дросселей. При этом рабочие обмотки Wр соединяют либо параллельно, либо последовательно, но так, чтобы в обоих случаях магнитные потоки, создаваемые током в сердечниках, охваченных обмоткой управления Wу, были направлены встречно и благодаря этому не индуктировали в ней Э.Д.С. основной частоты. Такие усилители получили название однотактных.

При параллельном соединении рабочих обмоток рис.1.3

Рисунок 1.3. – Однотактный усилитель с параллельным соединением рабочих обмоток

и синусоидальном напряжении U~ в каждом из сердечников будут проходить синусоидально изменяющиеся магнитные потоки Ф₁~ и Ф₂~ , создаваемые токами в обмотках Wp₁ и Wp₂. При согласованном включении обмоток потоки находятся в противофазе рис.1.4,а, что для обмотки управления равносильно отсутствию переменного потока в сердечнике Ф~= Ф₁~ + Ф~₂=q. Очевидно, что в этих условиях Э.Д.С. основной частоты не индуктируется.

Рисунок 1.4 – Графики изменения: а- магнитных потоков, б- токов

При подаче управляющего сигнала, в один полупериод питающего напряжения поток Фу будет складываться с потоком Ф₁~ в одном сердечнике и вычитаться с Ф₂~ в другом, а каждый последующий полупериод, наоборот вычитаться с Ф₁~ и складываться с Ф₂~ . Нелинейность кривой намагничивания приводит к тому, что проходящие через обмотки Wр₁ и Wр₂ токи оказываются несимметричными, содержащими четные гармоники рис.1.4,б. Так как ток в нагрузке равен сумме токов, протекающих через обмотки Wp₁ и Wp₂ , то он симметричен, т.е. не содержит четных гармоник, которые циркулируют лишь внутри замкнутого контура, создаваемого обмотками Wp₁ и Wp₂. В результате параллельное соединение рабочих обмоток позволяет создать хорошо управляемый магнитный усилитель с симметричной формой тока в нагрузке, свободный от отмеченных ранее двух недостатков.

Однако короткозамкнутый контур, состоящий из обмоток Wp₁ и Wp₂ существенно увеличивает постоянную времени усилителя. Поэтому в тех случаях, когда необходимо получить минимальное время запаздывания, применяют последовательное соединение рабочих обмоток.

При последовательном соединении рабочих обмоток Wp₁ и Wр₂ рис.1.5 через нагрузку и обмотки проходит один и тот же ток, который будет симметричен т.к. сумма Хр₁ и Хр₂ в различные полупериоды питающего напряжения остается постоянной. Действительно, если в один полупериод Ф~₁ и Фу складываются, а Ф~₂ и Фу вычитаются и Х’р₁< Х’р₂, то в последующий полупериод происходит обратное и возникает неравенство Х”р₁ > Х”р₂. Очевидно, что при равенстве параметров сердечников и обмоток Х’р₁ = Х’’р₂ и Х”р₁ = Х’р₂. Однако синусоидальность проходящего через рабочие обмотки тока нагрузки, а следовательно, и синусоидальность напряженности поля H~ приводит

Рисунок 1.5 – Однотактный магнитный усилитель с последовательным соединением рабочих обмоток

в результате нелинейности кривой намагничивания рис.1.6,а к асимметрии магнитной индукции, а следовательно потока в сердечниках рис.1.6,б

Эти несимметричные (содержащие четные гармоники) потоки индуктируют в обмотке управления несимметричные Э.Д.С. Е₁ и Е₂, сумма которых создает в цепи управления ток удвоенной частоты. Величина тока двойной частоты в обмотке управления зависит от числа витков и сопротивления цепи обмотки, и при определенных условиях Э.Д.С. в ней достигает весьма больших значений. Поэтому в устройствах, где появление в обмотке управления больших по величине Э.Д.С. удвоенной частоты нежелательно, следует отдать предпочтение параллельному соединению рабочих обмоток.

Рисунок 1.6 – Графики изменения: а- магнитной индукции; б- магнитных потоков и э.д.с.

Основной характеристикой магнитного усилителя является статическая. Это зависимость действующего или среднего значения тока в нагрузке от тока управления рис.1.7. На характеристике можно отметить две характерные точки I (точа пересечения характеристики с осью ординат), определяющая ток холостого хода – I₀, и точку, лежащую непосредственно за перегибом кривой и соответствующей максимальному току Iк.Отношение этих величин   называют коэффициентом кратности тока в нагрузке.

Рисунок 1.7. – Статическая характеристика МУ

Наряду со статической характеристикой установившийся режим работы магнитного усилителя характеризуется также коэффициентами усиления и полезного действия.

Коэффициент усиления по току представляет собой отношение приращения тока в цепи нагрузки ∆Iн к приращению тока в цепи управления ∆Iу, а с учетом закона равенства м.д.с. (Iу∙Wу=Iн∙Wр)

. (1.6)

Коэффициент усиления по напряжению:

. (1.7)

Коэффициент усиления по мощности:

 (1.8)

У реальных магнитных усилителей коэффициент К_Р= 10-100. Коэффициент полезного действия магнитного усилителя учитывает потери в рабочих обмотках усилителя:

, (1.9)

где R=R_H + R_P – суммарное активное сопротивление нагрузки R_H и рабочих обмоток R_P.

При использовании магнитного усилителя в качестве элемента системы автоматического регулирования важное значение имеют его динамические свойства. При внезапном изменении входного напряжения ток управления устанавливается не сразу из-за влияния индуктивности обмотки управления, ток и напряжение нагрузки практически не отстают во времени от тока управления. Переходные явления в магнитных усилителях носят весьма сложный характер. На их характер и скорость влияют процессы в цепях управления, обратной связи, смещения, рабочих обмоток, а также перемагничивание стали, гистерезис, вихревые токи, вид нагрузки. Но, как показывает опыт, магнитный усилитель, если иметь ввиду линейную часть статической характеристики, может быть описан в виде:

, (1.10)

где   - постоянная времени, с;

 - коэффициент усиления по напряжению.

Уменьшить постоянную времени Т можно за счет применения положительной обратной связи, увеличения частоты питающего напряжения.

Дифференциальный магнитный усилитель

Во многих автоматических системах к усилителям предъявляются требования в отношении тока холостого хода и чувствительности к полярности входного сигнала. Ток холостого хода у них должен быть равен нулю, т.е. при отсутствии входного сигнала нет сигнала на выходе, и при изменении знака входного сигнала менялась бы полярность или фаза напряжения и тока на выходе. Таким требованиям удовлетворяют дифференциальные схемы магнитных усилителей.

На рис.1.11 приведена дифференциальная схема магнитного усилителя без обратной связи. У него обмотки переменного тока двух одинаковых однотактных магнитных усилителей подключены через нагрузочное сопротивление R_Н к двум равным секциям вторичной обмотки питающего трансформатора Т_Р. Каждый из них имеет по две обмотки постоянного тока.

Рис. 1.11. Схема дифференциального магнитного усилителя

В обмотки смещения W_СМ подается постоянный ток I_СМ от дополнительного источника постоянного напряжения U_СМ. В обмотки управления W_У поступает ток управления I_У. Обмотки постоянного тока соединены таким образом, что в одном магнитном усилителе (например МУ₁) поле, создаваемое током управления, складывается с полем, создаваемым током смещения I_СМ, а в другом МУ₂ вычитается. ПриI_CM1 = I_CM2 и нулевом значении входного сигнала (I_У = 0) правая и левая части схемы уравновешивают друг друга и ток в цепи нагрузки равен нулю. При подаче напряжения управления Uу статические характеристики МУ₁ и МУ₂ смещаются в разные стороны рис.1.12, так как МУ₁ подмагничивается (I_У1W_У1 и I_СМ1WС_М1 направлены согласно), а МУ₂ размагничивается (I_УW_У2 и I_СМ2WС_М2направлены встречно). Ток в нагрузке I_Н равен разности токов МУ₁ и МУ₂:

I_Н = I₁ – I₂ = I₁ + (-I₂)

Поэтому на графике удобно откладывать ординаты статической характеристики МУ₁ вверх от оси абсцисс, а МУ₂вниз. В результате зависимость тока I_Н в нагрузке от тока управления I_У представляется симметричной кривой, проходящей через начало координат. При изменении полярности тока управления I_У фаза тока нагрузки I_Н изменяется на 180^о.

Рис. 1.12. Статическая характеристика дифференциального усилителя