Реверсивные магнитные усилители
Глава 24
РЕВЕРСИВНЫЕ МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
§ 24.1. Статическая характеристика реверсивного (двухтактного) магнитного усилителя
Реверсивные магнитные усилители отличаются тем, что при изменении полярности входного сигнала (тока управления) изменяется полярность выходного сигнала (тока нагрузки). Реверсивные магнитные усилители могут питать нагрузку постоянного или переменного тока. В последнем случае в зависимости от полярности тока управления изменяется на фаза выходного напряжения. Статическая характеристика реверсивного магнитного усилителя показана на рис. 24.1. Она представляет собой симметричную кривую, проходящую через начало координат. Таким образом, при отсутствии управляющего сигнала () ток в нагрузкетакже равен нулю. Напомним, что в нереверсивных (однотактных) магнитных усилителях при через нагрузку проходит
ток холостого хода , для уменьшения которого используют, например, смещение.
Соответствующую статическую характеристику реверсивного магнитного усилителя можно получить, если соединить два одинаковых нереверсивных усилителя таким образом, чтобы они действовали на общую нагрузку встречно при общем управляющем сигнале. На рис. 24.2 показаны две характеристики (1 и 2) однотактных магнитных усилителей со смещением и без обратной связи. При встречном включении таких усилителей их результирующая статическая характеристика получается графически сложением кривых / и 2. Для того чтобы ток нагрузки при был равен нулю, необходима идентичность характеристик магнитных усилителей, составляющих реверсивный магнитный усилитель. Однотактные магнитные усилители, на основе которых выполняется реверсивный магнитный усилитель, могут быть включены по дифференциальной или мостовой схеме. Напомним, что аналогичным способом обеспечивалась реверсивная характеристика в различных преобразователях, рассмотренных в разд. II. Различают реверсивные магнитные усилители с выходным постоянным и переменным током, с обратными связями и без них. Так как реверсивный магнитный усилитель состоит из двух однотактных усилителей, то он имеет четыре сердечника, но разработаны схемы и с уменьшенным числом сердечников.
§ 24.2. Усилители с выходным переменным током
Рекомендуемые материалы
Дифференциальная схема реверсивного магнитного усилителя без обратной связи показана на рис. 24.3. Два одинаковых однотактных усилителя и с последовательно соединенными рабочими обмотками питаются от вторичной обмотки дифференциального трансформатора . Нагрузкавключена между средними точками вторичной обмотки трансформатора и рабочих обмоток усилителей и . Применяя принцип и в нагрузке появляется ток. При перемене полярности тока управления магнитные усилители как бы меняются местами:уменьшается, авозрастает. В итоге фаза выходного тока изменяется на . Следует обратить внимание на то,
что, поскольку речь идет о переменных токах, ток нагрузки фактически представляет собой не алгебраическую, а геометрическую (векторную) разность.
Заметим, что короткозамкнутый контур, создаваемый обмотками смещения (как и любой другой обмоткой) увеличивает инерционность усилителя, т. е. затягивает продолжительность переходного процесса. Для того чтобы уменьшить это вредное влияние, сопротивление контура увеличивают за счет дополнительных постоянных сопротивлений
Существенным недостатком дифференциальной схемы реверсивного усилителя по рис. 24.3 является наличие трансформатора От этого недостатка свободна мостовая схема реверсивного усилителя.
Данная схема также содержит четыре сердечника, причем обмотки управления и смещения выполняются так же, как и в дифференциальной схеме, а рабочие обмоткисоединяются в схему моста, как показано на рис. 24:4. В одну диагональ моста (между точками а и б) подводится напряжение источника питания , а в другую диагональ моста (между точками в н г) включается па-грузка. При отсутствии тока управления () индуктивные сопротивления всех рабочих обмотокодинаковы и мост уравновешен, т. е. ток в цепи нагрузки отсутствует (). Так же как и в дифференциальной схеме, при подаче управляющего сигнала () подмагничивающее поле обмоток управления складывается с полем обмоток смещения в одной паре сердечников, а в другой паре-вычитается из него. Таким образом, индуктивное сопротивление одной пары рабочих обмоток, включенных в противоположные плечи моста, уменьшается, а индуктивные сопротивления другой пары рабочих обмоток соответственно В других противоположных плечах моста увеличиваются. В результате баланс моста нарушается и через нагрузкупротекает ТОК. Направление тока нагрузки определяется полярностью тока управления, т. е. при изменении полярности сигнала фаза тока нагрузки меняется на 180°. Поэтому статическая характеристика мостовой схемы, так же как и дифференциальной, имеет вид, показанной на риг. 24.1.
Не требуется отдельного трансформатора и в так называемой трансформаторной схеме реверсивного магнитного усилителя. Эта схема работает аналогично дифференциальной, но отличается удвоенным количеством рабочих обмоток. Половина этих обмоток выполняет функции первичных обмоток трансформатора и включается на напряжение питания. Другая половина этих обмоток выполняет функции вторичных обмоток трансформатора и питает на-
ложения, можно рассматривать ток через нагрузку как разность двух токов:и При отсутствии входного сигнала () токи идолжны быть равны. Они определяются смещением, т. с. начальным подмагничиванием за счет постоянного тока, протекающего по обмоткам смещения. Для балансировки (установки нуля) реверсивного усилителя прислужит регулировочный резистор
. Дело в том, что изготовить два однотактных магнитных усилителя с. абсолютно одинаковыми характеристиками практически невозможно, поэтому путем регулировки смещения обеспечивают равенство токовипри . Обычно не удается добиться одновременно равенства и амплитуды и фаз этих токов, поэтому даже припо нагрузке проходит ток небаланса ().
Обмотки смещения и управления однотактных усилителей ивключены таким образом, что при подаче управляющего сиг-
налав одном усилителе напряженность поля управления и смещения складываются, а в другом — вычитаются. В итоге токодного усилителя возрастает, а токдругого усилителя уменьшает грузку. Таким образом, сердечники магнитного усилителя одновременно являются и сердечниками трансформатора.
Сопоставление дифференциальной, мостовой и трансформаторной схем показывает, что с точки зрения коэффициента усиления и отдаваемой мощности они примерно одинаковы. Но наиболее простой является мостовая схема, которая и находит наибольшее применение. Однако применять ее можно лишь тогда, когда напряжение питания на 20—30% превышает требуемое максимальное напряжение на нагрузке. В других случаях применяют трансформаторную или дифференциальную схему реверсивного магнитного усилителя.
§ 24.3. Реверсивные магнитные усилители с выходным постоянным током
В реверсивном магнитном усилителе с выходным постоянным током при изменении полярности входного сигнала ток в нагрузке меняет направление на обратное. Такие усилители выполняются по дифференциальной схеме, т. е. ток в нагрузке представляет собой разность двух выпрямленных токов. Реверсивный усилитель выполняется в виде двух однотактных (нереверсивных) усилителей с выпрямителями в цепях рабочих обмоток. На рис. 24.5 приведена одна из возможных схем реверсивного усилителя с выходным постоянным током. Рассмотрим отдельно цепь постоянного тока (рис. 24.6, а). Для того чтобы токи каждого из однотактных усилителейи протекали через нагрузку во встречных направлениях, диодные выпрямительные мосты должны быть соединены последовательно. Однако при таком соединении образуется шунтирующая цепь, через которую может проходить ток, минуя нагрузку. Через нагрузку проходит только часть тока рабочих обмоток, определяемая соотношением сопротивлений нагрузки и диодного моста. Это существенно снижает максимальную мощность в нагрузке. Для увеличения тока в нагрузке последовательно с выпрямительными мостами включаются балластные сопротивления . На рис. 24.6, б показаны зависимости при наличии балластных сопротивлений () и без них (). При возрастает максимальный ток в нагрузке, но нарастание функции происходит не так быстро, как при . Таким образом, если необходимо иметь усилитель с высоким коэффициентом усиления при малых сигналах управления и с ограничением величины выходного сигнала (например, при использовании в качестве нагрузки измерительного прибора), то используется схема
без балластных сопротивлений. Если же требуется получить максимальную мощность на выходе и линейную характеристику в широком диапазоне входных сигналов, то необходимо использовать балластные сопротивления. При соединении балластных сопротивлений по схеме (рис. 24.6,о) к нагрузке прикладывается разность выпрямленных Напряжений однотактпых усилителей.
Для получения максимальной мощности в нагрузке необходимы определенные соотношения между сопротивлениями , и полным сопротивлением рабочих обмоток при максимальном подмагничивании. Для схемы по рис. 24.6, а
Для схемы по рис. 24.6, в
Важно отметить, что даже при таком оптимальном соотношении между сопротивлениями КПД реверсивного магнитного усилителя с выходным постоянным током не превышает 17%. Это означает, что мощность каждого из однотактных усилителей, входящих
в состав реверсивного усилителя, должна быть, по крайней мере, в шесть раз больше требуемой мощности в нагрузке. Из-за этого
недостатка схемы (рис. 24.5 и 24.6) применяют лишь для маломощных усилителей.
Для более мощных усилителей используются схемы, в которых предусмотрены меры по увеличению КПД. Один из возможных способов — замена балластных сопротивлений полупроводниковыми триодами (рис. 24.7).
Управляющее напряжение, подаваемое на базу транзисторов ис делителя напряжения и , пропорционально выходному напряжению соответствующего однотактного усилителя и при его увеличении открывает соответствующий триод. Ток в нагрузке при замене балластных сопротивлений транзисторами увеличивается почти в 2,5 раза, а выходная мощность — почти в 6 раз.
§ 24.4. Обратная связь в реверсивных магнитных усилителях
Обратная связь в реверсивных магнитных усилителях может быть внешней и внутренней.
При внешней обратной связи ее обмотки могут быть выполнены раздельно для каждого из однотактных усилителей, входящих в реверсивную схему. Такая схема показана па рис. 24.8, а для дифференциального усилителя с выходным переменным током. Обмотка обратной связи может включаться и последовательно с нагрузкой через выпрямитель (рис. 24.8, б) т. е. быть общей для обоих ВХОДЯЩИХ в схему однотактных усилителей.
Аналогичные схемы включения обмоток обратной связи могут быть использованы и для реверсивных магнитных усилителей с выходным постоянным током. Теоретически реверсивные усилители с раздельными обмотками обратной связи могут работать без обмоток смещения, поскольку необходимое начальное смещение создается за счет прохождения по обмоткам обратной связи тока холостого хода. На практике обычно используют небольшую обмотку смещения, с помощью которой может быть выбран необходимый режим для каждогооднотактного усилителя и точно установлен нулевой выходной сигнал при
Следует также отметить, что включение общей обмотки обратной связи для реверсивных магнитных усилителей с выходным постоянным током еще более снижает и без того низкий КПД, однако повышает стабильность нуля.
В системах автоматики, как уже отмечалось, усилители обычно используются для питания исполнительных электродвигателей. Наибольшей простотой и надежностью характеризуются двухфазные асинхронные электродвигатели, скорость которых регулируется за счет изменения напряжения на управляющей обмотке. Для управления такими двигателями и используются реверсивные магнитные усилители с обратными связями. На рис. 24.9 показана дифференциальная схема реверсивного магнитного усилителя с внутренней обратной связью. Для балансировки схемы (настройки нуля и вида выходной характеристики) используются обмотки смещения, питаемые через регулировочный резистор
Ток нагрузки в сопротивленииравен разности токов двух однотактных усилителейи
Внутренняя обратная связь обеспечивается в каждом из этих однотактных усилителей за счет постоянной составляющей токов и . выпрямленных с помощью диодов. При этом постоянная составляющая протекает лишь по рабочим обмоткам, а в нагрузку поступает близкий к синусоидальному ток= При наличии управляющего тока определенной полярности действующее значение тока возрастает, а — уменьшается (поскольку в данном случае подмагничивание сердечников возрастает, а в —уменьшается). При изменений полярности сигнала управления картина меняется: уменьшается, а увеличивается. Фаза переменного тока в нагрузке при этом изменяется на 180°.
Рассмотрим влияние смешения на вид статической характеристики реверсивного магнитного усилителя. Па рис. 24.10 показано построение статической характеристики реверсивного магнитного усилителя при разных значениях смещения. Построение выполняется графическим сложением двух статических характеристик однотактных магнитных усилителей и , включенных дифференциально (навстречу друг другу)-
Характеристики на рис. 24.10, а соответственные значения токови на выходе каждого из однотактных усилителей при близки к максимальным значениям, что вызывает дополнительный нагрев усилителя. Кроме того, результирующая характеристика имеет очень пологий начальный участок, т. е. усилитель будет нечувствительным при малых сигналах управления. Для устранения этих недостатков и необходимо применять смещение (начальное подмагничивание сердечников). Направление тока смещения выбирают таким, чтобы уменьшились значения токов и при . Характеристика при этом смещается вправо, а характеристика — влево.
Обычно величину смещения выбирают в зависимости от назначения усилителя, обеспечивая его работу в одном из двух режимов: режим класса А или режим класса В. Если начальное (при ) состояние каждого из однотактных усилителей соответствует точке на середине линейного (рабочего) участка его характеристики (рис. 24.10, б), то считается, что усилитель работает в режиме класса А. Следовательно, в режиме класса А смещение выбирается таким, чтобы токии прибыли равны примерно половине своего максимального значения. В этом режиме достигается наибольший коэффициент усиления.
В режиме класса В смещение (начальное подмагничивание) увеличивается таким образом, чтобы токии при имели минимальное значение
(рис. 24.10, в). В этом режиме обеспечиваются минимальные потери (а значит, и высокий КПД) при малых сигналах управлении. При кратковременной работе усилителя режим класса В позволяет уменьшить сечение провода рабочих обмоток.
Можно построить реверсивный магнитный усилитель с внутренней обратной связью и по мостовой схеме, однако схема будет более сложной, чем дифференциальная, поскольку потребуется удвоенное число выпрямителей.
§ 24.5. Основы расчета магнитных усилителей
Одним из основных вопросов при расчете магнитного усилителя является определение его габаритов. Габариты всего усилителя и его сердечников определяются значениями мощности нагрузки, коэффициента усиления, допустимого нагрева и магнитным режимом сердечников.
Если выбрать провода с высокотемпературной изоляцией или принять меры к интенсивному охлаждению усилителя (например, за счет обдува или радиаторов), то габариты усилителя можно существенно уменьшить. Точно так же можно уменьшить габариты сердечников за счет применения высококачественных магнитных материалов с большой индукцией и малыми потерями. Естественно, в этих случаях снижение габаритов будет оплачено повышением стоимости усилителя, изготовленного из более дорогих материалов.
При проектном расчете стремятся к оптимальному решению, под которым понимается достижение минимальных габаритов, минимального веса или минимальной стоимости при заданной выходной мощности и коэффициенте усиления.
Мы рассмотрим последовательность расчета, основанного на определенной зависимости объема сердечников от мощности нагрузки и магнитного режима сердечников. Эта зависимость остается неизменной при различных способах создания подмагничивающего поля. Поэтому полученные упрощенные соотношения будут справедливы для расчета различных схем магнитных усилителей: однотактных и двухтактных, без обратной связи и с обратной связью (как внешней, так и внутренней).
Объем стали одного сердечника усилителя может быть определен по формуле
(24.1)
где—выходная мощность усилителя;—частота питания;— напряженность поля при максимальном подмагничивания;— индукция в сердечнике при максимальном подмагничивании; — то же, без подмагничивания. Величины,,определяются выбранным материалом сердечников. Для различных материалов рассчитаны кривые зависимости минимального удельного объема от напряженности постоянного магнитного поля пои максимальном подмагничивании (рис. 24.11).
Сердечники выполняются из листового материала, толщина которого(мм) определяется частотой питания:, где— постоянный коэффициент зависит от материала сердечника. Меньшие значения (0,7—1,9) берутся для пермаллоев, большие (3— 3,5) —для холоднокатаной электротехнической стали. Обычно пермаллои применяют в усилителях малой мощности (несколько ватт).
После определения минимального удельного объема эту величину умножают на мощность нагрузки и определяют требуемый объем стали. Затем выбирают подходящий сердечник (обычно тороидальный или Ш-образный) и определяют толщину набора.
Для тороидального сердечника
(24.2)
В лекции "13. Ультразвуковые датчики" также много полезной информации.
где—внешний диаметр тороида;—внутренний диаметр тороида;—длина среднего магнитного пути в сердечнике;—коэффициент заполнения сталью. Для Ш-образного сердечника
(24.3)
где—ширина среднего стержня.
В этих формулах имеется в виду использование сдвоенных сердечников с общей обмоткой управления.
Объем меди усилителя без обратной связи определяется размерами пластин сердечника и толщиной набора. При определении объема меди следует учитывать коэффициент заполнения окна сердечника медью, зависящей от толщины изоляции и способа намотки. Зная объем стали и объем меди усилителя, можно определить его габариты и вес.
Расчет основных характеристик усилителя выполняется по расчетным формулам, приведенным в предыдущих главах и параграфах.