24. 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

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)

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.