Магнитный усилитель. Устройство и принципы работы

Как обычно упоминают, в основе работы магнитных усилителей - нелинейность характеристики намагничивания магнитопровода. Самый простой тип магнитного усилителя обычно называют дроссельным. Для усовершенствования его работы применяют следующие дополнения:
- введение дополнительной обмотки смещения
- самонасыщение с помощью диодов (полупроводниковых вентилей)
- внешняя и внутренняя обратные связи
- объединение 2 магнитных усилителей с некоторыми из вышеуказанных дополнений для создания дифференциального магнитного усилителя.

Информация в данной заметке вовсе необязательно будет полной и всеобъемлющей, но основной пласт информации мы постараемся отразить.

Дроссельный магнитный усилитель. Описание принципов работы самой простой схемы магнитного усилителя.

На 2-х концах 8-образного магнитопровода наматывается рабочая обмотка, тем самым образую 2 сердечника. Обмотка сердечников соединена последовательно, но намотана в противоположных направлениях у одного сердечника по отношению к другому. Нужно это, чтобы максимально сократить наводки от рабочей обмотки на управляющую обмотку, чтобы в ней не возникало паразитной ЭДС. Также важная особенность рабочей обмотки - малое количество витков. Нагрузка подключается к рабочей обмотке.

Управляющая обмотка располагается на среднем части магнитопровода (таким образом создавая управляющий сердечник). Ее особенность - большое количество витков.

Рассмотрим 2 основных аспекта рабочего режима - отсутствие и подача тока в управляющей обмотке.

1. На управляющую обмотку ток не подается, на рабочую обмотку подается переменное напряжение. Поскольку на рабочей обмотке количество витков мало, то магнитопровод не насыщается, и напряжение на рабочих обмотках почти полностью падает под действием реактивного сопротивления. На нагрузку поэтому попадает крайне малая мощность.

2. Теперь на управляющую обмотку подаем ток. Даже при небольшой его величине магнитопровод почти сразу насыщаются, и реактивное сопротивление рабочих обмоток падает, что увеличивает ток, идущий по ним.

Т.е. даже при малом токе управления, изменением его уровня можно регулировать величину мощности рабочей цепи в широких пределах.

Такая простая конструкция обладает некоторыми изъянами, недостатками:
- не слишком большое усиление
- нелинейность, связанная с запаздыванием при управлении рабочим током - недостаточно быстрой скоростью нарастания и спада рабочего сигнала
- нелинейность, связанная с присутствием тока холостого хода в рабочей цепи (т.е. даже если по управляющей обмотке ток не подается, на рабочей обмотке реактивное сопротивление не полностью гасит рабочее напряжение)
- отсутствие зависимости рабочего тока от полярности управляющего тока

Дополнительная управляющая обмотка - обмотка смещения

Вводится для нейтрализации ряда указанных выше недостатков простейшего дроссельного магнитного усилителя. Размещается на том же среднем сердечнике, где расположена и основная управляющая обмотка.

На данную обмотку подается постоянное напряжение от отдельного источника. Это позволяет создать рабочую точку для рабочей обмотки при токе основной управляющей обмотки равном нулю. Это позволяет добиться лучшей линейности в зависимости рабочего тока от управляющего, также это добавляет зависимости рабочего тока от полярности управляющего - здесь главным фактором влияния будет соотношения полярности тока основной управляющей обмотки от тока обмотки смещения. Также введение обмотки смещения позволяет увеличить коэффициент усиления.

Диоды для самонасыщения магнитного усилителя

Диоды (полупроводниковые вентили) вводятся в цепь рабочей выходной обмотки. С их помощью получается достичь течения тока рабочей обмотки только в одном направлении. Также обычно упоминается влияние диодов на остаточную намагниченность.

Введение обратных связей в магнитный усилитель

Применяются для увеличение коэффициента усиления. Различают 2 типа обратных связей в магнитном усилителе, оба типа являются положительной обратной связью:
- внешняя обратная связь
- внутренняя обратная связь

Внешняя обратная связь. Вводится дополнительная обмотка - располагается на средний сердечник магнитопровода, т.е. там же, где расположены обмотки управления и смещения. Обмотка обратной связи подключается в цепь рабочих обмоток определенным образом - последовательно в цепь с рабочей обмоткой через диодный мост. Что это дает? Ток в цепи рабочей обмотки является переменным, а в цепи обмотки обратной связи получается постоянным. При увеличении тока управления растет ток рабочей обмотки, а вместе с тем и ток в обмотке обратной связи. Сердечник дополнительно подмагничивается тем самым ещё более увеличивая рабочий ток.

Внутренняя обратная связь. Рабочие обмотки подключаются через выпрямительные диоды разносторонне направленные, нагрузка подключается между клеммой сети и общей точкой рабочей обмотки. Что это дает? В один полупериод переменного рабочего напряжения нагрузка питается от одной обмотки, в другой полупериод - от другой обмотки. В каждой рабочей обмотке течет ток с неизменным знаком. Рабочие обмотки соединяются таким образом, что их поток намагничивания направлен всегда в одну сторону, что дополнительно подмагничивает сердечник, а значит ещё больше увеличивает ток в рабочих обмотках.

Также отмечается, что при противоположном напряжении на обмотке управления - обратная связь становится отрицательной. К чему это приводит? Нагрузочная характеристика становится более несимметричной, коэффициент усиления на ветви обратной связи заметно снижается, на прямой ветви усиления — заметно увеличивается, достигая тысячекратных значений.

Дифференциальный магнитный усилитель

Применение такого варианта магнитного усилителя дает возможность управлять направлением тока в нагрузке при довольно большом коэффициенте усиления, а также весьма заметно повышает линейность усилителя, заметно снижает ток холостого хода. Для полноценной работы потребуется внедрение описанных выше обмоток смещения и обратной связи.

В основе такого варианта - применение двух магнитных усилителей включенных определенным образом. Как именно? С одной стороны рабочие обмотки этих двух усилителей включаются встречно, там же к ним подключается нагрузка, с другой же стороны нагрузка присоединяется к средней точке питающего трансформатора (две остальные его клеммы запитывают цепь рабочих обмоток). Обмотки управления обоих усилителей подключаются последовательно, но встречно. В результате при подаче управляющего напряжения один усилитель будет работать с положительной обратной связью, другой - с отрицательной. Результирующая суммарная характеристика будет близка к характеристике магнитного усилителя, применяющего положительную обратную связь.

В рабочем режиме дифференциального магнитного усилителя при уменьшении по модулю тока управления интенсивность работы усилителя с положительной обратной связью - сокращается, а усилителя с отрицательной обратной связью - возрастает, а характеристика линейно стремится к нулю. При изменении знака - роли каждого из 2 усилителей (входящих в состав дифференциального магнитного усилителя) меняются местами, а результирующая характеристика имеет также такую же линейность. что и до смены знака.

2022