Общие сведения о магнитных усилителях

Магнитный усилитель представляет собой электромагнитное устройство, предназначенное для усиления электрических сигналов. В нем используется зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов на переменном токе от подмагничивающего постоянного магнитного поля или другого переменного поля.

Магнитные усилители могут обеспечить высокий коэффициент усиления по мощности (до ) в одном каскаде, устойчиво работая при колебаниях напряжения и частоте питающей сети порядка 40%. Из других достоинств магнитных усилителей следует отметить:

· высокую эксплуатационную надежность и стабильность характеристик во времени;

· практически неограниченный срок службы;

· невосприимчивость к радиоактивному излучению;

· отсутствие гальванической связи между входами и между ними и выходом;

· возможность выполнения на любую выходную мощность - от микроватт в микроминиатюрном исполнении до сотен киловатт.

Наиболее существенным недостатком магнитных усилителей является их инерционность, присущая им, как и всем электромагнитным устройствам. В этом отношении они уступают электронным усилителям. Однако в настоящее время разработаны достаточно эффективные способы повышения их быстродействия.

Принцип действия магнитного усилителя можно легко понять, рассмотрев цепь, представленную на рис. 2.1. На сердечник, выполненный из магнитомягкого материала, основная кривая намагничивания которого показана на рис. 2.2, наложены две обмотки.

Рис.2.1

 

Первая (рабочая) с числом витков включена последовательно с нагрузкой на переменное напряжение , изменяющееся с частотой . Вторая (управляющая) с числом витков подключена к источнику постоянного напряжения . Если считать сопротивление рабочей обмотки чисто индуктивным , а ток – близким к синусоидальному, то среднее за полупериод значение тока в нагрузке определяется выражением:

 

Индуктивность рабочей обмотки определяется как [1]:

где S - сечение сердечника; l - средняя длина магнитопровода сердечника; и - амплитуды переменных составляющих напряженности и магнитной индукции ; - магнитная проницаемость.

 

 

 

 

Рис. 2.2

 

Как видно из рис. 2.2, по мере увеличения тока в цепи управления [т.е. при увеличении напряженности ] магнитная проницаемость сердечника уменьшается, что в итоге приводит к увеличению тока через нагрузку, а следовательно, и к возрастанию мощности, выделяемой в нагрузке. Так как относительное изменение мощности в нагрузке при подмагничивании значительно превосходит по величине относительное изменение мощности в цепи управления , подобное устройство можно рассматривать как магнитный усилитель мощности. Направление тока в данном случае не имеет значения, поскольку кривая намагничивания симметрична относительно начала координат. Поэтому простейший магнитный усилитель имеет характеристику вход-выход, т.е. зависимость , не чувствительную к знаку управляющего сигнала. В соответствии с этим свойством такие усилители называют однотактными или нереверсивными.

Рассмотренный простейший магнитный усилитель обладает двумя существенными недостатками. Первый недостаток заключается в индуцировании переменного напряжения в цепи управления, что недопустимо из-за возможного искажения им слабого усиливаемого сигнала. Чтобы устранить прохождение по цепи управления переменного тока, в эту цепь помещена достаточно большая индуктивность L. Однако такое решение нельзя признать удачным, так как при этом сильно увеличивается и без того значительная инерционность усилителя. Второй недостаток заключается в несимметрии тока нагрузки, обусловленной нелинейностью кривой намагничивания материала сердечника.

Для устранения указанных недостатков однотактные магнитные усилители (за исключением быстродействующих) выполняют на двух сердечниках. При этом рабочие обмотки, намотанные на разных сердечниках, соединяют друг с другом параллельно или последовательно таким образом, чтобы суммарный переменный поток рабочей частоты относительно обмотки управления равнялся нулю.