Электронные бесконтактные аппараты.

Магнитный усилитель.

Магнитный усилитель (МУ) — это электрический аппарат, в котором для усиления сигнала используется управляемое индуктивное сопро­тивление. Схема простейшего дроссельного МУ представлена на рис.1.

Рис.1 Схема МУ на одном сердечнике.

Замкнутый магнитопровод имеет две обмотки — рабочую обмотку (переменно­го тока) , включенную в цепь нагрузки R_Н и обмот­ку управления , на которую подается управляю­щий ток I_y. Кривая намагничивания материала сердеч­ника дана на рис. 2. При прохождении переменного тока по обмотке на обмотке будет наводиться ЭДС. Эта ЭДС будет создавать переменный ток в цепи управления. Для ограничения этого тока в цепи управления включается балластный дроссель Х_б.

Рис.2

Рассмотрим вначале соотношения в дросселе при отсутствии тока управления (цепь управления разомкнута). Индуктивное сопротивление обмотки равно:

где S-активное сечение магнитопровода; - число витков рабочей обмотки; l-длина средней магнитной линии магнитопровода.

При неизменных конструктивных параметрах S, и l индуктивность определяется магнитной проницае­мостью. Если ток управления отсутствует, то сердеч­ник работает в ненасыщенной зоне 1 (рис.2). В этой зоне магнитная проницаемость велика и индуктивное сопротивление дросселя

велико. Сопротивление нагрузки R_H обычно очень мало по сравнению с Х_P1, поэтому ток в рабочей обмотке оп­ределяется только индуктивным сопротивлением дрос­селя и мал по величине.

Подадим в обмотку управления такой постоянный ток управления I_у, чтобы перенести рабочую зону пол­ностью в область 2. В этой области из-за насыщения ма­териал имеет малую магнитную проницаемость . Индуктивное сопротивление рабочей обмотки дросселя резко уменьшается, что ведет к уменьшению полного сопротивления цепи и возрастанию тока в на­грузке. Величины X_P2 и R_H выбираются таким образом, чтобы . Тогда ток в цепи определяется сопротив­лением самой нагрузки. При этом все напряжение источника питания приложено к сопротивлению нагрузки. Мы рассмотрели два крайних режима усилителя — режим холостого хода, когда I_у=0 и ток в нагрузке име­ет минимальное значение I_но, и режим максимальной отдачи, когда ток в нагрузке достигает наибольшего значения.

При плавном увеличении тока управления I_у ток в нагрузке плавно увеличивается от I_но до максимального значения I_н.макс за счет уменьшения магнитной проницаемости .

Характеристика управления МУ приведена на рис.3. По оси абсцисс отложен ток управления, при­веденный к рабочей обмотке . В линейной зоне характеристики соблю­дается равенство средних значений м.д.с. обмоток: или .

Рис. 3. Характеристика управления.

Вследствие низких значений коэффициентов усиле­ния, большой массы дроссельные МУ в настоящее вре­мя применяются редко, в основном как измерительные трансформаторы постоянного тока и напряжения. В первом случае измеряемый ток I=I_у пропускается по шине, которая является одновитковой обмоткой управле­ния. Магнитоэлектрический амперметр через выпрямительный мост включен в цепь рабочей обмотки и измеряет ток I_р пропорциональный постоянному току:

Характеристики МУ.

Статические параметры.

Крутизна характеристики управления. Для МУ характерной является зависимость выходного напряжения U_p только от :

.

Напряжение на нагрузке U_н равно:

.

Изменение индукции определяется током управ­ления I_y. Выходное напряжение U_p не зависит от сопротивления рабочей цепи, и при данном токе управления МУС является источником напряжения. Если сопротивление R_Н>>R_B+r_P, то напряжение на на­грузке U_н мало зависит от ее сопротивления.

Характеристикой управления МУ называется зави­симость выходного напряжения от тока управления U_р=(I_y) или зависимость напряжения на нагрузке от тока управления U_н=(I_y).

Крутизна характеристики управления k_R:

.

В результате преобразований получим:

Производная характеризует наклон кри­вой размагничивания и условно может определяться эк­вивалентной магнитной проницаемостью размагничива­ния

.

Введем понятие индуктивного сопротивления размаг­ничивания:

.

Тогда получим:

.

Таким образом, крутизна характеристики управления пропорциональна индуктивному сопротивлению размагничивания Х_р и отношению чисел витков обмоток управления и рабочей обмотки.

Коэффициенты усиления МУ.

Коэффициент усиления тока:

.

Коэффициент усиления напряжения:

.

Коэффициент усиления мощности:

.

Динамические параметры.

Запаздывание в МУ. Простейший однополупериодный МУ с большим сопротивлением цепи управления R_y имеет малую посто­янную времени, так как последняя обратно пропорциональна R_y. Однако даже если постоянная времени очень мала, МУ име­ет запаздывание.

Пусть напряжению управления U_у1 соответствует напряжение на нагрузке U_н1 , а при увеличении напряжения управления до U_у2 на нагрузке должно установиться напряжение U_н2. Значение напря­жения на нагрузке определяется значением В_у в начале рабочего полупериода (РП). В течение РП МУ неуправляем. Поэто­му если мы подадим новое значение напряжения управления в на­чале РП (рис.4,а), то новое значениеВ_у2, соответствующее но­вой величине U_y2, установится только во втором полупериоде. В тре­тьем полупериоде установится новое напряжение на нагрузке U_н2 , соответствующее U_у2 .

Если напряжение U_у2 появится в начале полупериода управле­ния (ПУ), рис.4,б, то новое значение напряжения на нагрузке установится во втором полупериоде. Таким образом, даже в идеаль­ном случае, когда R_y равно бесконечности, МУ имеет запаздывание, которое может достигать 1—1,5 периода частоты питания. В двухполупериодном МУ запаздывание уменьшается до 0,5—1 периода. Такие усилители называются быстродействующими.

Рис.4. Запаздывание в МУ.

а) – напряжение управления изменилось в начале РП;

б) – напряжение управления изменилось в начале ПУ.