Oslash; Магнитные усилители

Принцип действия магнитного усилителя основан на изменении магнитной проницаемости сердечника индукционной катушки под воздействием магнитного поля управления. Проще всего принцип действия можно пояснить на примере магнитного дросселя насыщения (рис. 59). На схеме этого и последующих усилителей датчик или иной управляющий усилителем элемент будет представлен в виде генератора переменного сигнала Г_Х, а исполнительное устройство или иной управляемый усилителем элемент – сопротивлением R_Н. Магнитный дроссель имеет сходство с трансформатором, но это сходство чисто внешнее. Пусть имеется сердечник, на который намотаны две обмотки – управления О_у и рабочая О_Р. Обмотка О_у включена во входную цепь усилителя. В эту же цепь включены источник управляющего сигнала Г_Х и гасящая индуктивность L_Г. В выходную цепь обмотки О_Р включены нагрузка R_Н и источник питания переменного тока напряжением U. Сила тока, протекающего в сопротивлении нагрузки, при пренебрежении емкостью выходной цепи

, (50)

где X – индуктивное сопротивление,

, (51)

w = 2pf – угловая частота переменного тока с частотой f, L – индуктивность [см. формулу (21)]

, (52)

где W – число витков обмотки, S – площадь сечения магнитопровода,
l – длина магнитопровода, m – магнитная проницаемость магнитопровода.

а	б

Рис. 59. Магнитный дроссель насыщения: а – схема подключения;
б – характеристика

При наличии магнитного поля для ферромагнетиков магнитная проницаемость есть тангенс угла наклона a_В кривой намагничивания к оси напряженности магнитного поля (рис. 60)

, (53)

где B – магнитная индукция, H – напряженность магнитного поля. Из анализа формул (50)–(53) можно сделать вывод, что I_Н = f(H). Напряженность магнитного поля, в свою очередь, зависит от тока I_У в обмотке О_У. На нелинейной кривой намагничивания можно выбрать участок с большим a_В, т. е. с большим приращением B при незначительном изменении H. Именно на этом основан усилительный эффект магнитного усилителя. Переменный ток I_У управления от Г_Х во входной цепи наводит в сердечнике поток магнитной индукции B_У. Этот поток изменяет магнитную проницаемость сердечника и, следовательно, полное сопротивление выходной цепи. Это вызывает изменение тока I_Н. При этом амплитуда изменения тока нагрузки может превышать амплитуду управляющего тока до десятков раз. Зависимость I_Н = f(I_У) – токовая характеристика усилителя – приведена на рис. 59,б. Из рисунка видно, что дроссель насыщения безразличен к полярности входного сигнала. Коэффициент усиления по току

. (54)

Коэффициент усиления по мощности

, (55)

где E_X – напряжение входного сигнала, Z_H и Z_X – соответственно полные сопротивления выходной и входной цепей, I_HXX – ток нагрузки холостого хода. Как видно из формулы (55), коэффициент усиления по мощности – величина того же порядка, что и квадрат коэффициента усиления по току. Для усилителей без обратной связи К_Р = 5…80.

К сожалению, все электромагнитные процессы обладают высокой обратимостью. Переменный ток в выходной цепи порождает паразитный поток магнитной индукции B_П, который наводит паразитный ток I_П во входной цепи. Одним из главных функциональных требований к усилителям, рассмотренных в лекции 3, является как можно меньшее обратное воздействие на входе. Здесь это требование не выполняется – ток I_П может принимать довольно большие значения. Для частичного уменьшения тока I_П служит гасящая индуктивность L_Г. Но эта индуктивность уменьшает и ток управления, из за чего растет порог чувствительности усилителя, так как он не замечает слабых сигналов управления. Из-за этого магнитные дроссели насыщения не получили большого распространения и используются в основном для усиления дискретных сигналов.

Гораздо более эффективным является подавление паразитной магнитоиндукции методом ее компенсации в дроссельных магнитных усилителях (двойных магнитных дросселях). Секция дроссельного магнитного усилителя представлена на рис. 61. Магнитопровод дроссельного магнитного усилителя состоит из двух независимых контуров. На центральные стержни контуров навита обмотка управления О_У, на крайние – рабочие обмотки О_Р1 и О_Р2. Последние соеди­нены так, что возбуждаемые ими магнитопотоки В_Р1 и В_Р2 в цен­тральных стержнях магнитопро­вода направлены навстречу друг другу и па­разитные токи в обмотке О_У, воз­никающие под их влиянием, вза­имно уничтожают (компенсируют) друг друга.

Для увеличения коэффициента усиления используют подмагничивание магнитопровода с использованием положительной обратной связи.

Для этого на центральные стержни навивается обмотка обратной связи О_С, соединенная с выходной цепью как показано на рис. 62. На обмотку О_С, расположенную на входном участке магнитопровода, сигнал подается от выходной цепи, эта связь именуется обратной (прохождение сигнала в противоположном основному направлению). Так как полярность сигнала в основном направлении и в обратной связи одинакова, эта связь именуется положительной. Сигнал от выходной цепи, уже усиленный, подается обратно для повторного усиления. Таким образом, обмотка О_С является вторым каскадом усиления. Наличие в линии обратной связи диодного выпрямителя приводит к тому, что на управляющий участок магнитопровода подается положительное подмагничивающее поле смещения. Это поле приводит к смещению токовой характеристики влево, в зону отрицательных токов управления (рис. 62,б, где пунктиром показана характеристика усилителя без обратной связи), что имеет два важных следствия. Во первых, несимметричное положение токовой характеристики говорит о том, что этот усилитель становится поляризованным, т. е.он по разному реагирует на входные сигналы разной полярности. Во вторых, из-за наличия поля смещения, усилитель реагирует на гораздо более слабые входные сигналы; следовательно, его коэффициент усиления возрастает. На графике это показано поворотом характеристики против часовой стрелки. Коэффициент усиления по мощности становится равным 400…500.

а	б

Рис. 62. Магнитный усилитель с обратной связью: а – схема подключения; б – характеристика

При определенном условии, а именно

, (56)

где аW_ОС и аW_ОР – количество витков обмоток соответственно обратной связи и рабочей, усилитель с обратной связью получает новое качество – его характеристика становится релейной.

Вид такой характеристики приведен на рис. 63. Характеристика состоит из двух линий: срабатывания А – Б – В – Г и отпускания Г – Д – Е – А.

На участке А – Б линии срабатывания токи управления в О_У и О_С еще недостаточны для качественного изменения напряженности магнитного поля, и ток нагрузки возрастает, но крайне незначительно. При значении тока управления I_СР начинается рабочий участок Б – В линии срабатывания. Он за счет высокого коэффициента усиления настолько крут, что практически представляет собой вертикальную линию. В точке В наступает насыщение сердечника и далее линия срабатывания идет горизонтально. Уменьшению силы тока от точки Г до точки А соответствует линия отпускания. Как видно из графика, рабочий участок Д – Е линии отпускания сдвинут по отношению к рабочему участку Б – В линии срабатывания. Внешний вид графика на рис. 63 весьма схож с графиком магнитного гистерезиса. Это сходство не случайно. Характеристика усилителя и есть петля магнитного гистерезиса, только в других координатах – не в координатах В – Н (см. рис. 60), а в функционально связанных с ними координатах I_У – I_Н. Линии срабатывания соответствует кривая намагничивания, линии отпускания – кривая размагничивания. Как в графике гистерезиса, так и в характеристике релейного режима работы разница между восходящей и нисходящей ветвями связана с невосполнимыми потерями энергии на перемагничивание сердечника. В лекции 3, приводились внешний вид и главная отличительная особенность релейной характеристики элемента. В частности, там отмечалось, что выходной сигнал может иметь только два (в трехпозиционных реле – триггерах – три) фиксированных значения и перевод элемента с одного значения выходного сигнала в другое происходит скачкообразно. Если пренебречь незначительным изменением I_Н на интервалах А – Б и Е – А, то график на рис. 63 полностью соответствует описанию релейной характеристики. Отсюда и наименование режима – релейный. Поэтому магнитно-дроссельный усилитель применяется в качестве бесконтактного реле. Но об этом более подробно в следующей лекции.

Характерными представителями магнитных усилителей являются торроидные типа ТУМ, например ТУМА5-11. Сердечник его представляет собой тор с центральным стержнем. В сечении сердечник соответствует рис. 61. Усилитель имеет два комплекта рабочих обмоток. Это позволяет ему выдавать выходной сигнал в два адреса (свойство размножения сигнала). На центральном стержне намотано семь обмоток управления. Это позволяет получать сигналы управления из семи различных адресов и вырабатывать выходной сигнал от суммы входных (свойство логического суммирования входных сигналов). Помимо этого, на центральный стержень навита обмотка обратной связи, что позволяет усилителю работать в режимах двухкаскадного усиления и релейном.

К достоинствам магнитных усилителей следует отнести их простоту, высокую надежность, довольно высокий коэффициент усиления по мощности (до 500 в усилителях с положительной обратной связью), высокую мощность выходного сигнала (до сотен ватт). К недостаткам следует отнести большие габариты (по сравнению с электронными усилителями, это касается электромашинных, то тут сравнение в пользу магнитных) и ощутимое запаздывание выходного сигнала. Явление, именуемое временной инерцией, объясняется тем, что на перемагничивание сердечника необходимо затратить определенное количество энергии. Как и любой процесс перераспределения энергии, перемагничивание сердечника идет с определенной скоростью, следовательно, требует определенного времени. Временная инерция магнитных усилителей в зависимости от их мощности составляет от десятых долей секунды до нескольких секунд у наиболее мощных. Для подъемно-транспортных, строительных и путевых машин вопросы габаритов большого значения не имеют. При значительных массах, а следовательно, и значительной инерции рабочих органов этих машин, потеря секунды-другой на передачу сигнала управления тоже не имеет принципиального значения. То есть недостатки магнитных усилителей не принципиальны для данных машин, что делает магнитный усилитель основным типом усилителей для них.