6. ДВУХТАКТНЫЕ МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ С ВЫХОДОМ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ

Двухтактные магнитные усилители с выходом на постоянном токе обычно образуются путем дифференциального включения двух однотактных усилителей, выполненных по схемам или . Для образования разности двух выпрямленных напряжений на их выходе часто используют смесительную схему (рис, V.30), содержащую два балластных сопротивления

Недостатком такого включения является низкий коэффициент полезного действия. Поэтому двухтактные МУ (рис. V.30, а) используются преимущественно для маломощных усилителей, в том числе и для решающих усилителей, для которых к. п. д. не имеет существенного значения [5, 7, 9].

Наиболее высокий к. п. д. имеют двухтактные усилители, у которых постоянный ток нагрузки образуется как разность токов двух одинаковых однотактных усилителей, включаемых по мостовой схеме (рис. V.30, б). В противоположные плечи моста включаются рабочие обмотки и диоды одного и того же однотактного МУ. С этой целью рабочая обмотка делится на две равные части а и б, подобно тому, как это сделано в мостовой схеме.

Рис. V.30. Принципиальные схемы двухтактных магнитных усилителей с выходом на постоянном токе

Балластное сопротивление равное сопротивлению нагрузки служит для уменьшения тока, протекающего через рабочие обмотки одного усилителя после насыщения сердечника другого с целью сохранения управляемости усилителя и получения высокого к. п. д.

Через сопротивление протекает сумма токов а через — разность этих токов. Поэтому, если пренебречь потерями в активном сопротивлении рабочих обмоток и диодов, то к. п. д. усилителя (рис. V.30, б) при максимальной отдаче [2]

где

При получим максимально возможный к. п. д., равный

0,5. При имеем

Магнитный усилитель (рис. V.31) выполнен по схеме с так называемой внешней обратной связью [5, 7] на основе двух однотактных усилителей (см. рис. V.10).

Особенность схемы (рис. V.31) состоит в том, что при наличии входного сигнала один и тот же ток нагрузки протекает

по всем обмоткам обратной связи. В случае положительной обратной связи магнитное поле, создаваемое током нагрузки во всех четырех сердечниках, совпадает по направлению с полем сигнала. При этом в одной паре сердечников магнитные поля сигнала и обратной связи имеют такое же направление, как и поле смещения, а в другой — противоположные. При этом напряженность поля обратной связи прямо пропорциональна току или напряжению на нагрузке и обращается в нуль при отсутствии сигнала на входе усилителя. По этой причине МУ по схеме рис. V.31 отличается достаточно высокой стабильностью нуля, соответствующей входному сигналу мощностью порядка Вт.

Рис. V.31. Магнитный усилитель с общей внешней обратной связью

Рис. V.32. Схема цепи нагрузки двухтактного МУ с балластными сопротивлениями

Некоторыми недостатками усилителя является принципиальная невозможность его работы без начального подмагничивания и полный отказ при обрыве цепей смещения.

На рис. V.32 приведена одна из схем цепи нагрузки МУ с самонасыщением, иллюстрирующая рассмотренный выше (см. рис. V. 30, а) принцип построения смесительной схемы двухтактного магнитного усилителя. Усилители с самонасыщением в настоящее время нашли преимущественное применение вследствие того, что они имеют более высокий к. п. д., могут быть выполнены с меньшим числом диодов, чем усилители с общей внешней обратной связью. Эти усилители принципиально могут работать и без смещения, однако для выбора оптимальной рабочей точки однотактных усилителей и точной установки нуля обычно применяется смещение по последовательной схеме, для чего требуются обмотки с небольшим числом витков. Обрыв цепи смещения не приводит к полному отказу МУ, а лишь снижает коэффициент усиления.

Смещение может быть выполнено также путем шунтирования вентилей обратной связи сопротивлениями показанными на рис. V.32 штриховыми линиями. Достоинством этого способа является отсутствие специальных обмоток и источника питания

цепи смещения, а недостатком — значительное уменьшение коэффициента усиления (при этом несколько повышается стабильность нуля и коэффициента усиления).

Если нагрузкой двухтактного магнитного усилителя является обмотка какого-либо электромагнитного устройства, то при наличии у нагрузки двух одинаковых гальванически не связанных обмоток, целесообразно выполнить МУ по схемам, показанным на рис. V.33, а, б. В усилителе (рис. V.33, б) обмотки нагрузки с двумя балластными сопротивлениями образуют мост, две противоположные вершины которого, например подключены к выходу первого однотактного усилителя, а вершины 3, 4 — к выходу другого. Сопротивление каждого балластного резистора берется равным сопротивлению обмотки .

Рис. V.33. Схемы цепей нагрузки двухтактных усилителей с раздельными нагрузками

Поэтому при подаче напряжения только на одну пару вершин, например 1, 2, разность потенциалов между вершинами 3, 4 оказывается равной нулю. Таким образом, включение нагрузки по мостовой схеме позволяет сделать работу однотактных усилителей независимой друг от друга.

Схема рис. V.33, б имеет такой же к. п. д., как и мостовая схема рис. V.30, б, но она не требует расщепления рабочих обмоток каждого однотактного МУ на две части, которое усложняет конструкцию усилителя и увеличивает количество диодов в схеме. Заметим, что, во избежание появления паразитных контуров, напряжения питания однотактных усилителей должны быть изолированы друг от друга.

Двухтактные усилители постоянного тока с самонасыщением по сравнению со схемой, показанной на рис. V.31, имеют более низкую стабильность нуля, которая характеризуется сигналом, приведенным ко входу, мощностью порядка . Сравнительно низкая стабильность усилителей этого типа определяется главным образом изменением характеристик (прямого и обратного

сопротивлений) полупроводниковых диодов при изменении напряжения питания, температуры окружающей среды и др. Заметим, что применение специальных схем и устройств коррекции ухода нуля позволяет значительно (на один—два порядка) снизить порог чувствительности.

Существенное повышение чувствительности и стабильности нуля усилителей может быть достигнуто путем использования усилителей с выпрямлением четных гармоник напряжения симметричным нелинейным сопротивлением [5, 7]. Принципиальная схема такого усилителя приведена на рис. V.34.

Сердечники усилителя перемагничиваются относительно большими переменными полями, создаваемыми током возбуждения в обмотках

Рис. V.34. Магнитный усилитель с выпрямлением четных гармоник симметричным нелинейным сопротивлением

Из-за наличия сопротивления шунтирующего одну из этих обмоток, в выходной обмотке охватывающей оба сердечника, индуктируются знакопеременные импульсы напряжения одинаковой амплитуды, частота которых совпадает с частотой напряжения питания. Усиливаемый сигнал поступающий в обмотку вызывает появление в выходной обмотке дополнительного напряжения удвоенной частоты, которое, складываясь с напряжением основной частоты, приводит к тому, что амплитуда импульсов одной полярности увеличивается, а амплитуда импульсов другой полярности уменьшается. Эти импульсы поступают на выпрямительный мост в диагонали которого включен кремниевый стабилитрон. Этот мост представляет собой нелинейное сопротивление с симметричной вольт-амперной характеристикой Амплитуды импульсов превышают пороговое напряжение кремниевого стабилитрона. Очевидно, в полупериоде, в котором амплитуда имеет большую величину, ток достигает большего значения, чем в следящем полупериоде противоположной полярности. Поэтому в нелинейном сопротивлении и нагрузке появится постоянная составляющая тока. Полярность последней изменяется при изменении полярности входного сигнала. При отсутствии входного

сигнала постоянная составляющая равна нулю. Емкость служит для сглаживания пульсаций выпрямленного тока нагрузки. Дроссель Др препятствует протеканию переменного тока в цепи управления под действием импульсов э. д. с., индуктируемых в обмотках Сопротивление служит для ограничения величины тока в обмотках возбуждения, — для установки нуля усилителя.

Стабильность нуля усилителей (рис. V.34) соответствует входному сигналу мощностью порядка при изменении напряжения питания и температуры окружающей среды в широких пределах. Заметим, что подобные усилители из-за низкого к. п. д. могут применяться лишь в качестве измерительных усилителей или входных каскадов многокаскадных или гибридных (магнитнотранзисторных) усилителей.

Выбор типа и параметров компонентов, входящих в схему двухтактного МУ, определяется совокупностью требований, часто противоречивых, предъявляемых к усилителю (характер и мощность нагрузки, коэффициент усиления, пределы изменения входного и выходного напряжений или тока, линейность характеристики вход — выход и т.д.).

Так как двухтактная схема образуется дифференциальным включением выходных цепей двух идентичных однотактных МУ, то расчет двухтактного усилителя с выходом на постоянном токе часто можно свести к расчету двух однотактных усилителей, соответствующие соотношения для которых приведены в § 3. При этом исходными данными для расчета являются оптимальные значения балластных сопротивлений: эквивалентная нагрузка и мощность однотактного усилителя.

Расчет усилителя (см. рис. V.31) на заданные значения сводится к расчету однотактного МУ на эквивалентное сопротивление нагрузки и ток нагрузки При отношение полезной мощности на выходе двухтактного усилителя к мощности однотактного усилителя

Как видно, даже без учета тока холостого хода одного однотактного усилителя и потерь в выпрямителях и обмотках около 83% всей мощности при максимальной отдаче теряется в балластных сопротивлениях.

Схемы замещения для усилителей (см. рис. V.33 и 32) приведены соответственно на рис. V.35, а и б. Выражения для оптимальных значений [1,2]

где внутреннее сопротивление соответствующего однотактного усилителя.

В этом случае эквивалентное расчетное сопротивление нагрузки

а значение эквивалентного тока соответствующее заданному максимальному значению тока на выходе усилителя:

При оптимальном значении балластного сопротивления (не зависимо от величины имеем

а отношение полезной мощности на выходе и мощности однотактного усилителя

В рассмотренных случаях, мощность каждого однотактного усилителя, входящего в двухтактную схему, должна быть, по крайней мере, в 6 раз выше требуемой мощности нагрузки.

Рис. V.35. Схемы замещения цепи нагрузки двухтактных МУ с выходом на постоянном токе

При небольших значениях коэффициента кратности однотактных МУ (рис. V.35, б) их расчет необходимо проводить с учетом более высоких значений тока в соответствии с формулой

где — кратность изменения тока однотактного усилителя.

Заметим, что расчет схем с повышенным к. п. д. при максимальной отдаче мощности сводится также по существу к расчету однотактных усилителей.