Быстродействующие магнитные усилители

К быстродействующим относятся магнитные усилители, постоянная време­ни которых меньше длительности периода переменного питающего напряжения. Если в обычных усилителях на инерционность оказывает основное влияние цепь управления, то в быстродействующих усилителях необходимо учитывать запаздывание и в рабочей цепи. Высокое быстродействие в магнитных усили-

телях (в одном каскаде) может быть обеспечено лишь при использовании высококачественных материалов для сердечников. К таким материалам отно­сятся железоникелевые сплавы (пермаллои), основные достоинства которых — близкая к прямоугольной петля гистерезиса, высокая магнитная проницаемость в слабых полях и малое значение коэрцитивной силы.

Для упрощенного анализа работы быстродействующего магнитного усили­теля воспользуемся теорией идеализированного магнитного усилителя, т. е. пренебрежем шириной петли гистерезиса магнитного материала сердечника. Представим эту кривую графически в виде ломаной линии, состоящей из трех отрезков (рис. 25.2, а). Вертикальный участок этого графика соответствует магнитной проницаемости, стремящейся к бесконечности, а на горизонтальных участках магнитная проницаемость стремится к нулю. Это означает, что в ре­жиме работы сердечника на вертикальном участке индуктивное сопротивление рабочей обмотки стремится к бесконечности, а на горизонтальном участке — к нулю.

Простейшим быстродействующим магнитным усилителем является схема на одном сердечнике с внутренней обратной связью за счет однополупериодного выпрямления в цепи рабочей обмотки (рис. 25.2, б). Работу такой схемы мож­но рассматривать по двум полупериодам питающего напряжения . Когда диод Д открыт (полярность приложенного напряжения совпадает с проводя­щим направлением диода), изменение магнитного состояния сердечника проис­ходит под действием тока в рабочей обмотке. Этот полупериод называется рабочим. Когда диод Д закрыт, изменение магнитного состояния сердечника происходит только под влиянием тока в обмотке управления. Этот полупериод называется управляющим.

В рабочем полупериоде можно выделить два режима работы усилителя: рабочая точка находится на вертикальном или на горизонтальном участке характеристики намагничива­ния (рис. 25.2, а). В первом режиме индуктивное сопротив­ление рабочей обмотки очень велико и ток в рабочей цепи (ток нагрузки ) равен нулю. Во втором режиме индуктив­ное сопротивление рабочей об­мотки близко к нулю и ток в рабочей цепи определяется только мгновенным значением напряжения питания и актив­ным сопротивлением нагрузки. В зависимости от значения тока управления изменяется момент времени, в который индуктивное сопротивление рабочей обмотки скачком изменяется от бесконеч­ности до нуля (напомним, что речь идет об идеализированном магнитном уси­лителе). Па рис. 25.3 показаны кривые тока в рабочей цепи для двух значе­ний фазы отпирания усилителя. Рабочий ток, как видно из рисунка, имеет вид срезанных по вертикали синусоидальных импульсов. Максимальная амп­литуда импульсов

Отпирание усилителя зависит от магнитного состояния сердечника в конце предшествующего (т. е. управляющего) полупериода. Чем выше на вертикаль­ном участке кривой намагничивания находится точка начальной индукции ( и на рис. 25.3, в), тем быстрее наступает момент времени, когда рабочая точка перемещается на горизонтальную часть кривой намагничивания и индук­ция достигает значения . Если в очередном управляющем полупериоде ток управления отсутствует, то к очередному рабочему полупериоду начальное зна­чение индукции не изменится ( ) и выходной сигнал будет иметь мак­симальное значение. Минимальное запаздывание обусловлено принципом рабо­ты усилителя с обратной связью и может колебаться от длительности полупериода (в случае совпадения момента подачи сигнала и началом управляю­щего полупериода) до длительности периода (в случае подачи сигнала с на­чалом рабочего полупериода).

Зависимость выходного тока от управляющего показана на рис. 25.4, а. Как видно из характеристики , при выходной ток максимален, а для его уменьшения требуется подавать отрицательный входной сигнал ( ). На практике удобнее иметь прямо пропорциональную зависимость вы­ходного сигнала от входного (рис. 25.4, б). Для получения такой характерис­тики в управляющую цепь включают дополнительный источник напряжения смещения (его называют опорным напряжением) с той же частотой, что и напряжение питания, но сдвинутый по фазе на 180° (рис. 25.5, а).

При выполнении соотношения между питающим и опорным напряжениями необходимое размагничивание сердечника будет происходить в течение управляющего полупериода за счет и при Соответственно при ток нагрузки будет равен нулю, а при увеличении тока управления будет возрастать ток нагрузки, как показано на рис. 25.4, б.

На основе двух однополупериодных схем построены двухполупериодные и реверсивные быстродействующие магнитные усилители. При этом усилители с выходным постоянным или переменным током отличаются соединением цепи нагрузки. На рис. 25.5, б показана схема двухполупериодного быстродейству­ющего усилителя, в которой опорное напряжение, обеспечивающее смещение,

подается со вторичной обмот­ки трансформатора По­скольку это напряжение в те­чение одного полупериода за­пирает диод , а в течение другого полупериода— , в каждый из полупериодов ток проходит только по одной об­мотке управления.

На рис. 26.5 показана по­лярность опорного напряже­ния, при которой диод за­крыт, а диод открыт. Ток управления при этом протека­ет по цепи

В другой полупериод, когда изменится полярность , ток управления пройдет по обмотке Проследите его путь самостоя­тельно.

Надо отметить, что быст­родействующие магнитные уси­лители имеют коэффициенты усиления по напряжению и по мощности меньше, чем усилители с нормаль­ным быстродействием. Они становятся быстродействующими именно за счет повышения мощности управляющего сигнала. Поэтому для маломощных уси­лителей предпочтительнее «обычные» схемы, а не быстродействующие.

Чаще всего быстродействующие усилители применяются для непосредствен­ного усиления сигналов переменного тока (без предварительного выпрямле­ния). Но достоинства быстродействующего усилителя будут сведены на нет, если исполнительное устройство в системе автоматики будет обладать большим запаздыванием. Поэтому реверсивные быстродействующие магнитные усилители получили применение в следящих системах с малоинерционными исполнитель­ными электродвигателями (например, имеющими полый тонкостенный ротор или дисковый ротор с печатной обмоткой).