2. МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

В последнее время в области автоматики все большее применение находят магнитные усилители. Принцип их действия основан на зависимости магнитной проницаемости ферромагнитных материалов дросселя при его питании переменным током от подмагничивающего действия постоянного поля. Схема простейшего магнитного усилителя показана на рис. V.2.

Магнитный усилитель состоит из двух дросселей I и II с подмагничиванием постоянным током. Обмотки 1 и 2 переменного тока обоих дросселей намотаны на сердечники, так что направления переменных магнитных потоков во внутренних сердечниках противоположны. Вследствие этого электродвижущие силы, индуктируемые переменными магнитными потоками Ф в обмотку 3 постоянного тока, будут взаимно компенсироваться. Входной величиной усилителя является напряжение Е обмотки 3 либо ток протекающий по этой обмотке. Эта обмотка называется управляющей или подмагничивающей. Выходной величиной магнитного усилителя является переменный ток в обмотках 1 и 2 и нагрузочном резисторе Величина этого тока

где — сумма активного сопротивления обмоток 1 и 2 и нагрузки и — напряжение в цепи переменного тока; сумма реактивных сопротивлений обмоток .

Индуктивности обмоток

где — число витков обмотки 1 или — длина средней линии сердечника; — площадь сечения сердечника; — коэффициент магнитной проницаемости сердечника.

Протекающий по обмотке управления постоянный ток меняет насыщение сердечника. При этом с увеличением силы тока уменьшается динамическая магнитная проницаемость; в результате реактивное сопротивление катушек 1 и 2 падает, а величина тока растет.

На рис. V.3 показана зависимость тока от величины постоянного тока подмагничивания Коэффициент усиления по току определяется как отношение

Усиление по мощности

Рис. V.2. Схема простейшего магнитного усилителя

Рис. V.3. Зависимость тока в нагрузке усилителя от величины тока подмагничивания

Рис. V.4. Схема магнитного усилителя со вспомогательной обмоткой постоянного подмагнтивания

Затрачивая небольшую мощность на подмагничивание, можно управлять значительной мощностью .

На рис. V.4, а показана схема магнитного усилителя с большим коэффициентом усиления. Для получения большого коэффициента усиления следует обеспечить работу магнитного усилителя на наиболее крутом участке характеристики (рис. V.4, б). Для этого вводится вспомогательная обмотка постоянного подмагничивания, обеспечивающая работу магнитного усилителя в точке М характеристики . В обмотке управления при этом ток изменяется только в пределах . В рассматриваемой схеме вспомогательной обмоткой постоянного подмагничивания является обмотка, получающая питание от селенового или купроксного выпрямителя.

В качестве материала для сердечников магнитных усилителей применяют трансформаторную сталь или пермаллой. Необходимо отметить, что коэффициент усиления по мощности зависит не только от качества материала сердечника, но и от частоты тока. С увеличением частоты коэффициент усиления увеличивается. Так, при частоте 50 Гц коэффициент усиления по мощности магнитных усилителей из трансформаторной стали составляет величину 50—200, а из пермаллоя — 100—1000. При частоте 500 Гц коэффициенты усиления соответственно увеличиваются: для трансформаторной стали можно получить усиление порядка 100—800, а для пермаллоя — 200—2000. Поэтому магнитные усилители обычно работают на повышенных частотах — от 400 до 3000 Гц.

Перейдем теперь к рассмотрению различных схем магнитных усилителей.

Для получения большего усиления применяют магнитные усилители с положительной обратной связью. Принципиальная схема однотактного магнитного усилителя с положительной обратной связью приведена в табл. V.2 (схема 4). Коэффициенты усиления по мощности у магнитных усилителей с обратной связью, выполненных на сердечнике из трансформаторной стали, при частоте 50 Гц достигают 1000, а на сердечнике из пермаллоя . При более высоких частотах можно получить значительно больший коэффициент усиления.

Для увеличения крутизны характеристики и придания ей симметричной формы относительно тока используют дифференциальные магнитные усилители. Схема такого усилителя изображена на рис. V.5, а. Усилитель состоит из двух идентичных магнитных усилителей, получающих питание от трансформатора Управляющие и вспомогательные обмотки усилителей включены последовательно, а дроссельные обмотки — параллельно. Благодаря этому через нагрузочный резистор протекает разность токов этих усилителей. Результирующая характеристика (рис. V.4, б) получается как сумма характеристик:

(кликните для просмотра скана)

Рис. V.5. Схема дифференциала ного магнитного усилителя

Так как кривая зависимости тока нагрузки от тока подмагничивания дифференциальных усилителей проходит через начало координат и симметрична относительно тока подмагничивания, то при нулевом токе подмагничивания ток нагрузки также равен нулю. При изменении направления подмагничивающего тока ток нагрузки изменяет свою фазу на обратную.

Дифференциальные магнитные усилители, так же как и магнитные усилители других типов, допускают соединение их в каскады, что приводит к возрастанию коэффициентов усиления. Свойства дифференциальных магнитных усилителей позволяют широко их использовать в системах автоматического регулирования. Существенным недостатком дифференциальных магнитных усилителей является их инерционность, обусловленная значительной постоянной времени управляющей обмотки. Постоянная времени определяется по формуле

где — число витков обмотки управления; — омическое сопротивление обмотки управления; — число последовательно включаемых обмоток управления; — площадь поперечного сечения одного сердечника; — магнитная проницаемость сердечника; — длина средней линии сердечника.

Если сердечник усилителя изготовлен из магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса (пермаллой или мопермаллой), то постоянная времени

где — омическое сопротивление всей цепи нагрузки; — частота переменного тока; — число витков обмотки переменного тока.

Различные схемы магнитных усилителей приведены в табл. V.2. На схеме 1 показан магнитный усилитель тока, получивший наибольшее распространение в бесконтактных релейных устройствах. На схеме 2 изображен однотактный магнитный усилитель, также нашедший широкое применение благодаря своей простоте. На схеме 3 показан быстродействующий магнитный усилитель. На схемах 5—7 изображены двухтактные магнитные усилители мощности, где в качестве нагрузки применяют двигатели постоянного или переменного тока. На схеме 8 показан магнитный модулятор с низким порогом чувствительности.

Высокая надежность, вибростойкость и низкий порог чувствительности для сигналов постоянного тока обеспечили широкое распространение магнитных усилителей в системах автоматического регулирования.