Магнитные усилители с обратной связью

Глава 23

МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ С ОБРАТНОЙ связью

§ 23.1. Назначение и способы введения обратной связи

Характеристики магнитного усилителя могут быть зна­чительно улучшены за счет введения дополнительного воздействия, зависящего от тока или напряжения на выходе усилителя. Такое воздействие, подаваемое с выхода усилителя на его вход, называ­ется обратной связью.

В магнитных усилителях различают положительную и отрица­тельную, внешнюю и внутреннюю, жесткую и гибкую обратную связь.

При положительной обратной связи выходной сигнал, подава­емый на вход усилителя, складывается (суммируется) с входным управляющим сигналом. При положительной обратной связи по­вышается коэффициент усиления и улучшается быстродействие магнитного усилителя.

При отрицательной обратной связи выходной сигнал, подава­емый на вход усилителя, вычитается из входного управляющего сигнала. За счет отрицательной обратной связи улучшается ста­бильность преобразования входного сигнала в выходной, т. е. улуч­шаются измерительные свойства магнитного усилителя. Однако при отрицательной обратной связи уменьшается коэффициент усиле­ния. Поэтому в магнитных усилителях наибольшее распростране­ние получила положительная обратная связь. Если специально не оговорено, какой вид обратной связи используется, то под словами «магнитный усилитель с обратной связью» обычно понимается имен­но усилитель с положительной обратной связью.

Для осуществления внешней обратной связи предусматривает­ся специальная обмотка обратной связи, которая располагается на сердечниках усилителя так же, как и обмотка управления. При внутренней обратной связи никакой дополнительной обмотки об­ратной связи не требуется. Сигнал обратной связи проходит в виде составляющей через рабочие (выходные) обмотки усилителя. При этом .последовательно с рабочими обмотками включаются однополупериодные выпрямители. За счет постоянной (выпрямленной) составляющей выходного тока создается магнитный поток обратной связи, изменяющий степень насыщения сердечника усилителя. При положительной обратной связи магнитный поток обратной связи суммируется с магнитным потоком обмотки управления и насыще­ние сердечника увеличивается. Поэтому в литературе усилители с внутренней обратной связью иногда называют усилителями с само­насыщением или самоподмагничиванием. При жесткой обратной связи сигнал обратной связи пропорцио­нален выходному сигналу. При гибкой обратной связи сигнал об­ратной связи пропорционален скорости изменения выходного сиг­нала. Следовательно, гибкая обратная связь действует лишь в пе­реходном процессе, т. е. при изменении выходного сигнала. Она и предназначена для улучшения динамики работы магнитного уси­лителя.

Рекомендуемые материалы

§ 23.2. Одноактный магнитный усилитель с внешней обратной связью

Типовые схемы магнитных усилителей с внешней обратной связью приведены на рис. 23.1. Эти магнитные усилители кро­ме рабочей. обмоткии обмотки управленияимеют специ­альную обмотку обратной связи, в которую подводится сигнал с выхода усилителя.

Существует два вида внешней обратной связи: по току и по на­пряжению. В схеме по рис. 23,1,а в обмотку обратной связи по­дается выпрямленный ток нагрузки . Таким образом, осущест­вляется обратная связь по току. В схеме по рис. 23.1,6 в обмотку обратной связи подается выпрямленное напряжение нагрузки Так осуществляется обратная связь по напряжению. Направление токав обмотках обратной связи постоянно и определяется по­лярностью подключения их к выпрямителю. Если действие тока в обмоткеусиливает действие тока управления в обмотке  , то имеем положительную обратную связь. Магнитодвижущие силы обмоток управления и обратной связи при этом складываются. Перейти от положительной обратной связи к отрицательной мож­но путем изменения полярности (направления) тока управления в обмоткеили переменой концов обмотки, подключаемой к выпрямителю. В этом случае магнитодвижущие силы обмоток уп­равления и обратной связи вычитаются.

В схеме (рис. 23.1,а) нагрузка может быть включена как посто­янного, так и переменного тока. Нагрузка постоянного тока включена последовательно с обмоткой обратной связи, т. е. пос­ле выпрямителя. Нагрузка переменного токавключается до вы­прямителя. В этом случае выпрямитель служит только для осущест­вления обратной связи. В некоторых случаях и при нагрузке по­стоянного тока для питания обмотки обратной связи используется отдельный выпрямитель, что повышает стабильность характеристик магнитного усилителя.

Обратная связь по напряжению обычно применяется в мощных магнитных усилителях, т. е. при больших токах нагрузки. В этом случае для выпрямителя в цепи обратной связи по току потребо­вались бы диоды на большие токи, которые имеют большие габа­риты и используются со специальными охладительными радиато­рами. Да и саму обмотку обратной связи потребовалось бы вы­полнять очень толстым проводом.

С точки зрения принципа действия разницы между усилителя­ми с обратной связью по току и по напряжению нет.

Для статической характеристики идеального магнитного уси­лителя (см. § 22.5) при наличии обратной связи уравнение (22.17) будет иметь вид

                                    (23.1)

где знак плюс соответствует положительной обратной связи, а знак

минус — отрицательной.

Поскольку длина путейдля постоянного и переменного маг­нитных потоков у большинства магнитных усилителей одинакова, можно записать равенство напряженностей магнитного поля:

где—среднее за полпериода значение напряженности перемен­ного магнитного поля;—напряженность постоянного магнитно­го поля, создаваемого совместными действиями обмоток управле­ния и обратной связи;

Напряженность магнитного поля, создаваемого обмоткой об­ратной связи,

При обратной связи по току полагаем, что весь выпрямленный

 ности, можно значительно снизить постоянную времени (например, при = =0,96 в 25 раз), т. е. улучшить быстродействие усилителя. Достигаетсяэто за счет уменьшения числа витков (т. е. индуктивности) обмотки управления усилителя. Другим способом уменьшения постоянной времени является увели­чение частоты питания, что также следует из уравнения (23.6). Поэтому для магнитных усилителей используют источники питания повышенной частоты (400, 500, 1000 Гц). Для усилителей малой мощности постоянная времени может быть снижена до нескольких миллисекунд, а для большой мощности — до нескольких десятков миллисекунд.

В случае применения магнитного усилителя с выходным переменным током (без выпрямителя в цепи нагрузки) в уравнения (23.4) —(23.6) необходимо ввести коэффициент формы переменного тока

§ 23.4. Регулировка коэффициента обратной связи

Для регулировки коэффициента обратной связи исполь­зуют два способа: изменение числа витков обмотки обратной связи и изменение тока в обмотке обратной связи. При использовании первого способа обмотку обратной связи выполняют с отводами, что позволяет ступенчато изменять . При втором способе обыч­но используют регулировоч­ные резисторы, обеспечиваю­щие плавное изменение Регулировочный резистор в усилителе с обратной связью по току подключается парал­лельно обмотке обратной свя­зи (рис. 23.2, а), а в усилите­ле с обратной связью по на­пряжению — последовательно этой обмотке (рис. 23.2, б).

В магнитных усилителях с обратной связью по току ре­гулировочный резистор подключают параллельно не ко всей обмотке , а только к части ее витков, составляющих примерно 10—20% от общего числа витков, для чего делает­ся специальный отвод. Делается это для того, чтобы не возрас­тала значительно инерционность усилителя. Ведь образованный об­моткой и регулировочным резистором замкнутый контур замед­ляет изменение потока тем больше, чем больше его индуктивность. Если регулировочный резистор подключен параллельно к части витков обмотки обратной связи  (рис. 23.2,а), то коэффициент обратной связи определяется по формуле

(23.7)

Для обратной связи по напряжению  (рис. 23.2,6)  ток обрат­ной связи

тогда

(23.8)

где

Следовательно, при любом виде обратной связи (по току или по напряжению) сопротивление регулировочного резистора учиты­вается введением в формулу длярегулировочного коэффициен­та.определяемого по (23.7) или (23.8).

§ 23.5. Характеристики реального магнитного усилителя с обратной связью

Статические характеристики «вход-выход» реального маг­нитного усилителя с различными значениями коэффициента обрат­ной связипоказаны на рис. 23.3. При увеличениихаракте­ристика становится несимметрич­ной   и   смещается   влево   парал­лельно оси абсцисс. Ток в цепи нагрузки при сигналеуже

не будет равен его минимально­му значению , его значение увеличивается с ростом (точки 1, 2, 3). Как было показано в § 22.4, ток холостого хода в реальном усилителе не равен ну­лю (из-за конечного значения ин­дуктивности рабочей обмотки). При наличии обратной связи этот ток поступает в  обмотку и

создает дополнительное   подмагничивание,    смещая    характери­стику усилителя. Для уменьшения тока холостого хода в усилите­ле  с  положительной   обратной   связью   применяют  специальную обмотку смещения  Напряженность магнитного поля, создаваемого этой обмоткой, должна быть равна напряженности поля, создаваемого обмоткой обратной связипри прохождении по ней тока, т. е. противоположна по направлению.

В этом случае обмотка смещения будет полностью компенсиро­вать подмагничивающее действие обмотки обратной связи при отсутствии управляющего сигнала   ().    При    приближении значения коэффициента обратной связи к единице есть опасность перехода усилителя в релейный режим. Как уже отмечалось, обычно принимают величину . Однако при использовании высококачественных сердечников и выпрямителей со стабиль­ными параметрами и при незначительных колебаниях температу­ры внешней среды величина может быть доведена до 0,98— 0,99. При этом обеспечиваются весьма большие коэффициенты усиления и хорошая линейность преобразования входного сигна­ла в выходной. Добротность реальных магнитных усилителей с обратной связью находится обычно в пределах, где—частота напряжения питания.

§ 23.6. Графическое построение статической характеристики магнитного усилителя с обратной связью

Статическую характеристику магнитного усилителя с об­ратной связью можно построить графически по характеристике это­го же усилителя без обратной связи.

Рассмотрим такое построение применительно к магнитному уси­лителю с обратной связью по току (см. рис. 23.1, а). Напряженность постоянного магнитного поля в этом усилителе создается сов-

местным действием тока управления , протекающего по обмотке , и тока нагрузки, протекающего по обмотке, т. е.

 (23.9) где—средняя длина  пути постоянного магнитного потока. При отсутствии обратной связи (если разомкнуть цепь обмотки  ) то же значение напряженности может быть создано большим током управления:

 (23.10) Выразим  из уравнения  (23.9), подставив из  (23.10):

 (23.11) Первый член уравнения (23.11) представляет собой ток управ­ления магнитного усилителя без обратной связи, а второй член—■ это ток нагрузки, приведенный к числу витков обмотки управления. Иными словами, это такой условный ток в обмотке управления, который эквивалентен по действию току нагрузки, протекающему по обмотке обратной связи. Обозначим этот приведенный (услов­ный) ток через, т. е.

Это выражение являетсяхарактеристикой обратной связи. По­строение статической характеристики проводим в координатной плоскости (рис. 23.4): по оси абсцисс откладываем , по оси ординат—.  Характеристика обратной связи в этих осях изобра­жается прямой Оа, проходящей через начало координат под углом  к оси ординат. В этих же осях координат строим нагру­зочную характеристику магнитного усилителя без обратной связи  , которая на рис. 23.4 обозначена бег. Теперь на основе (23.11) выполняем графическое построение характеристики усили­теля с обратной связью. Точка А пересечения прямой Оа с харак-

теристикой усилителя бвг определяет новое значение тока холосто­го хода. Сносим это значение на ось ординат (точка с). Затем про­водим еще несколько прямых, параллельных Оа, и находим точки их пересечения с кривой бвг. Из точек пересечения этих прямых с осью абсцисс восставляем перпендикуляры, па которые сносим точки пересечения характеристики обратной связи с характеристи­кой усилителя без обратной связи.

Из построения видно, что ток, т. е. для получения одного и того же тока нагрузкив магнитном усилителе с обрат­ной связью требуется меньший ток в управляющей обмотке, чем в усилителе без обратной связи.

Построенная таким образом характеристика усилителя с обрат­ной связью обозначена деж. Анализируя вид этой кривой, прихо­дим к заключению, что характеристика магнитного усилителя по­лучается несимметричной: в правой части ее крутизна больше, чем у усилителя без обратной связи, а в левой части — меньше. Ветвь еж соответствует положительной обратной связи, а ветвь де — от­рицательной обратной связи. Построение на рис. 23.4 выполнено для значения. Сравнение характеристик магнитного усилителя с обратной связью и без обратной связи показывает, что с увеличением ток холостого хода в нагрузке возрастает. Для уменьшения тока холосто­го хода в усилителе с положительной обратной связью применяют обмотку смещения, охватывающую, подобно обмоткам управ­ления и обратной связи, оба сердечника (рис. 23.5,а). Эта обмотка питается постоянным током и обеспечивает постоянное подмагничивание сердечников. Благодаря такому подмагничиванию харак­теристика усилителя смещается влево или вправо параллельно са­мой себе (рис. 23.5, б).

Иногда с помощью обмотки смещения начальную рабочую точ­ку смещают на середину линейного участка (рис. 23.5,в). Такой усилитель можно назвать поляризованным: при положительных значениях ток нагрузки линейно возрастает, при отрицатель­ных — уменьшается.

§ 23.7. Магнитные усилители с внутренней обратной связью

В рассмотренных выше магнитных усилителях со специ­альной обмоткой обратной связи положительная обратная связь проявлялась в том, что в сердечниках магнитного усилителя кро­ме    постоянного    подмагничивания от  тока    управления    создавалось еще     одно   постоянное   магнитное поле, пропорциональное току   (или напряжению)   нагрузки.   Такой  же эффект достигается и в усилителях с  внутренней  обратной   связью  — постоянное   магнитное   поле  созда­ется  за  счет постоянной составля­ющей тока нагрузки, протекающей по  рабочим   обмоткам    усилителя. Следовательно, нет   необходимости в специальных обмотках обратной связи. Усилители со внутренней об­ратной   связью   называют еще уси­лителями с самоподмагничиванием. Рассмотрим  работу  простейшей схемы   (рис.  23.6, а),  которая ле­жит в основе всех схем усилителей с внутренней обратной связью. На сердечнике расположены две обмотки: управленияи рабочая. Для ограничения перемен­ного тока в цепи обмотки управления, трансформируемого (наво­димого) из цепи рабочей обмотки, служит индуктивность. На­помним, что индуктивное сопротивлениепропорционально частоте, поэтому на значение постоянного тока индуктив­ность практически не влияет. Последовательно с нагрузкой в цепь рабочей обмотки включен выпрямительный диод Д. По­этому под действием переменного синусоидального напряжения  по рабочей обмотке и в нагрузке проходит однополупериодный выпрямленный ток (рис. 23.6, б). Этот ток можно предста­вить в виде суммы постоянной и переменной составляющих. По­стоянная составляющая    тока

нагрузки создает в сердеч­нике постоянное магнитное по­ле, т. е. возникает эффект, аналогичный действию обмот­ки обратной связи в усилите­ле с внешней обратной связью. Функции обмотки обратной связи в схеме (рис. 23.6, а) выполняет рабочая обмотка, а коэффициент обратной связи в этом случае . Данная схема для магнитных усилите­лей практически почти не при­меняется, она служит лишь для иллюстрации принципа действия внутренней обратной связи.

Бесплатная лекция: "27. Концентрация капитала во французской прессе" также доступна.

Основные схемы магнитных усилителей с внутренней обратной связью показаны на рис. 23.7. Для нагрузки переменного тока ис­пользуется схема (рис. 23.7, а) с обмотками управления, располо­женными на двух сердечниках и включенными так, что перемен­ные составляющие ЭДС, трансформируемые из рабочей обмотки, взаимно уничтожаются. Обратите внимание на точки: они пока­зывают, что обмотки управления включены согласно, а рабочие обмотки—встречно. В один из полупериодов питающего напряже­ния ток в нагрузку идет через диод Д1, а в другой — через диод Д2. Если из схемы исключить эти диоды, то получится обычный магнитный усилитель с параллельным соединением рабочих об­моток без обратной связи (постоянная составляющая в токе рабо­чих обмоток будет отсутствовать).

Для нагрузки постоянного тока используется схема (рис. 23.7, б) с выпрямительным мостом. Через каждую из рабочих обмоток по­переменно проходит однополупериодный выпрямленный ток, соот­ветствующий току нагрузки. А через нагрузкупроходит двух-полупериодный выпрямленный ток.

Для ступенчатой регулировки коэффициента обратной связи используют рабочие обмотки, состоящие из нескольких частей, ко­торые могут быть включены встречно или согласно. Для плавной регулировкиприменяют регулировочный резистор, шунтирующий диоды. Например, в схеме по рис. 23.7,а при сопротивлении, шунтирующем диоды, равном нулю, будем иметь , т. е. об-

ратная связь отсутствует. При отсутствии шунтирующих резисторов (т. е. шунтирующее сопротивление равно бесконечности)

Вид статических характеристик усилителей с внешней и внут­ренней обратной связью практически одинаков. То же можно ска­зать и о значениях коэффициента усиления. Похожи и их динами­ческие свойства, если при этом учесть, что число витков рабочей обмотки усилителя с внутренней обратной связью должно быть в два раза больше числа витков рабочей обмотки усилителя с внешней об­ратной связью при прочих равных условиях. Однако потери в ра­бочей цепи усилителя с самоподмагничиванием меньше, чем с внеш­ней обратной связи, поскольку в каждый полупериод питающего напряжения ток проходит лишь по одной из рабочих обмоток. Сле­довательно, магнитный усилитель с внутренней обратной связью имеет больший КПД и коэффициент усиления по мощности, что приводит к увеличению добротности. При одинаковых размерах сердечников усилитель с внутренней обратной связью имеет выход­ную мощность почти в полтора раза больше, чем усилитель с внеш­ней обратной связью. Кроме этих достоинств усилители с внут­ренней обратной связью имеют меньшее число обмоток, а в некото­рых случаях и меньшее число диодов (вентилей). Поэтому в на­стоящее время преимущественное применение (особенно в мощных усилителях) получила внутренняя обратная связь. Внешнюю об­ратную связь применяют в тех маломощных усилителях, где глав­ным требованием является стабильность работы. Сюда относятся, например, магнитные усилители, применяемые в измерительной и вычислительной технике.

Следует отметить, что для создания высококачественных и ста­бильных магнитных усилителей с самонасыщением требуются не только высококачественные материалы для сердечников, но и вы­сококачественные выпрямители, имеющие прежде всего высокое обратное сопротивление.