Магнитные усилители. Исполнитель

Магнитные  усилители.

                                                               План:

 1. Принцип действия, характеристики и устройство.

 2. Физические процессы в одноатомном магнитном усилителе.

 3. Обратная связь и смещение в магнитных усилителях.

 4. Двухтактные магнитные усилители.

 5. Динамические свойства магнитных усилителей.

 6. Достоинства и недостатки магнитных усилителей.

 {spoiler=Подробнее}

                         1. Принцип действия, характеристики и устройство.

Магнитный усилитель представляет собой усилительно-преобразовательное устройство параметрического типа, поскольку принцип его работы основан на использовании свойства дросселя переменного тока с ферромагнитным сердечником изменять свою индуктивность при подмагничивании постоянным током.

Наряду с усилением магнитный усилитель производит одновременное преобразование сигнала постоянного тока, являющегося входным сигналом, в сигнал переменного тока.

Рассмотрим принцип действия простейшего дроссельного магнитного усилителя, состоящего из ферромагнитного сердечника с двумя обмотками: обмоткой управления, на которую подается подлежащий усилению сигнал постоянного тока, и выходной обмотки, питаемой переменным напряжением через сопротивление нагрузки.

Рассмотренная схема простейшего магнитного усилителя не нашла применения на практике, поскольку она имеет ряд существенных недостатков:

вследствие взаимоиндукции происходит трансформация переменною напряжения в цепь управления, что искажает входной сигнал и нарушает нормальную работу усилителя;

усилитель, являясь однотактным, не реагирует на знак входного сигнала;

наличие тока холостого хода отрицательно сказывается на работе системы, т.к. может привести к ложному срабатыванию некоторых ее элементов при отсутствии сигнала на входе;

коэффициенты усиления магнитного усилителя, собранного по такой схеме, сравнительно малы.

Некоторые из перечисленных недостатков можно устранить посредством определенных изменений схем включения, а также самой конструкции усилителя.

Конструктивно однотактные магнитные усилители могут быть собраны на Ш -образных, так и на тороидальных сердечниках. Недостатком конструкции магнитных усилителей на Ш - образных сердечниках является то. что переменный магнитный поток замыкается через крайние стержни, не попадая в средний, следовательно, объем среднего стержня не участвует активно в процессе усиления. Для устранения этого явления применяют расчленение сердечника на две половины вдоль продольной оси, а обмотки накладываются таким образом, чтобы через средние сердечники проходили также и переменные потоки, способствующие устранению искажающего гистерезисного эффекта, особенно сказывающегося при условии слабых сигналов. Кроме того, в конструкциях с Ш образным сердечником наличие потоков рассеяния из-за повышенного магнитного сопротивления в местах стыка пластин создает возможность наведения внешними полями э.д.с. и тока помех в обмотке управления, которые в высокочувствительных усилителях могут превзойти полезный сигнал. В связи с этим маломощные магнитные усилители высокой чувствительности изготавливаются с магнитопроводом из двух одинаковых тороидальных пакетов. Выходные обмотки наматываются на каждый пакет, обмотка  управления на оба пакета, сложенные вместе. Такой усилитель будет нечувствителен к внешним магнитным полям, т.к. вследствие осевой симметрии тороидов потоки рассеяния будут отсутствовать.

2. Физические процессы в однотактном магнитном усилителе.

Рассмотрим физические процессы, протекающие в однотактном магнитном усилителе, собранном по схеме, в предположении, что ферромагнитный сердечник усилителя имеет идеальную кривую намагничивания.

Для упрощения математического анализа выделим два режима работы усилителя:

 1) режим свободного намагничивания, при котором активное сопротивление цепи
управления и индуктивное сопротивление датчика входного сигнала равны нулю;

2) режим вынужденного намагничивания, характеризующийся включением в цепь
управления    бесконечно    большого    индуктивного    сопротивления,    что    исключает
возможность трансформации в нее переменного тока.

3. Обратная связь и смещение в магнитных усилителях.

Для увеличения коэффициентов усиления магнитных усилителей применяется положительная обратная связь (ОС). В магнитных усилителях различают внешнюю, внутреннюю и смешанную связи.

При введении внешней обратной связи выходной ток усилителя выпрямляется и подается в специальную обмотку обратной связи, конструктивно расположенную там же, где и обмотка управления.

Внутренняя обратная связь вводится путем подачи пульсирующею тока, постоянная составляющая которого и является током смещения, в рабочие обмотки, что достигается включением выпрямителей в рабочую цепь. Смешанная обратная связь представляет собой объединение внутренней и внешней обратных связей в одной схеме включения магнитного усилителя.

Введение   обратной   связи   приводит   к   изменению   статической   характеристики, состоящему   в  том,   что  для   одной   половины   статической   характеристики   крутизна линейного участка возрастает, а для другой    снижается.

4. Двухтактные магнитные усилители.

Обычно двухтактные магнитные усилители выполняются посредством соответствующего соединения однотактных усилителей. Наиболее распространенными схемами соединения являются дифференциальная и мостовая схемы.

Дифференциальная схема. Двухтактный магнитный усилитель, собранный по этой схеме, состоит из двух однотактных усилителей, обмотки управления которых включены последовательно и согласно, а обмотки смещения - встречно. Т.к. цепь смещения оказывает влияние на длительность переходных процессов в магнитном усилителе, то в нее включается дополнительные сопротивления, приводящие к уменьшению постоянной времени цепи смещения.

Статическую характеристику двухтактного усилителя можно получить из статических характеристик образующих его однотактных усилителей путем вычитания ординат исходных характеристик при одинаковых абсцисс. Легко увидеть, что полученная характеристика обладает чувствительностью к полярности входного сигнала.

Мостовая схема. Чтобы построить двухтактный магнитный усилитель по мостовой схеме, необходимо образовать четыре плеча из обмоток переменного тока двух однотактных усилителей. Затем в одну диагональ полученного моста включить источник питания, а во вторую - сопротивление нагрузки. Обмотки управления и смещения включаются так же, как и в дифференциальной схеме.

Статическая   характеристика   двухтактного   магнитного   усилителя,   собранного   по мостовой схеме, имеет такой же вид, как и для дифференциального усилителя.

5. Динамические свойства магнитных усилителей.

Магнитный усилитель представляет собой инерционное звено, если входной величиной является напряжение управления, а выходной - ток рабочей цепи.

Инерционность магнитного усилителя зависит от коэффициента усиления по мощности и частоты питающего напряжения. В тех случаях, когда имеются обмотки, магнито - связанные с обмоткой управления, постоянная времени возрастает. Введение положительной обратной связи при -заданном коэффициенте усиления по мощности уменьшает постоянную времени, г.к. в этом случае для получения того же коэффициент усиления можно взять меньшее число витков обмотки управления, что приведем к уменьшению индуктивности, определяющей инерционность усилителя.

При изменении управляющего сигнала в большом диапазоне рабочая точка может оказаться на участке статической характеристики, соответствующем нелинейной зависимости между входным и выходным сигналами. Идеализированная нелинейная статическая характеристика двухтактного магнитного усилителя соответствует нелинейности типа насыщения.

6. Достоинства и недостатки магнитных усилителей.

Важнейшими достоинствами магнитных усилителей являются:

- практически линейные характеристики двухтактных усилителей, не имеющие зоны нечувствительности;

- высокий коэффициент усиления по мощности;

- отсутствие гальванической связи между цепью управления и рабочей цепью;

- мгновенная готовность к действию;

- возможность каскадного соединения магнитных усилителей с целью получения высокого коэффициента усиления сигнала;

- удобство в сочленении с транзисторными элементами, позволяющее создавать смешанные магнитотранзисторные усилительно - преобразовательные устройства, обладающие высоким быстродействием и к.п.д. при большой выходной мощности;

- возможность применения в качестве бесконтактных устройств;

- высокий к.п.д.;

- возможность применения в качестве операционных усилителей, обеспечивающих суммирование, интегрирование, дифференцирование и другие действия над входными сигналами;

- высокая конструктивная прочность и надежность.

            К недостаткам магнитных усилителей можно отнести:

- значительную инерционность при пониженных частотах источника питания (50Гц);

- существенное отклонение формы тока рабочей цепи от гармонической;

- достаточно большие габариты и масса при большой мощности выходного сигнала.

{/spoilers}