Магнитні підсилювачі: призначення та класифікація. Простішіі однотактні та двутактні (диференційні) МП: схеми, загальна будова, принцип дії. Область застосування.

Магнитным усилителем является электромагнитное устройство, предназначенное для усиления электрических сигналов. Принцип работы магнитного усилителя основан на использовании нелинейных характеристик ферромагнитных материалов. Такие достоинства магнитных усилителей, как высокая надежность, большая выходная мощность, питание непосредственно от сети переменного тока, возможность усиления малых сигналов, простота суммирования большого числа входных сигналов на гальванически развязанных обмотках, большая перегрузочная способность по входу и выходу, возможность сочетания функций усиления с функциями модулирования, высокая стабильность нуля и другие обеспечили их широкое применение в автоматических системах регулирования. Их используют как усилители входных сигналов, поступающих от датчиков и других элементов систем автоматики, применяют в измерительных устройствах. Они могут выполнять функции преобразования, суммирования, умножения интегрирования и дифференцирования сигналов, стабилизации напряжения и частоты источников питания.

Существенным недостатком магнитных усилителей является значительная инерционность по сравнению с электронными и полупроводниковыми, обусловленная индуктивностью обмоток.

Характеристики магнитного усилителя в значительной степени определяются свойствами магнитных материалов, конструкцией, размерами и технологией изготовления сердечников. Наибольшее применение в магнитных усилителях нашли железоникелевые сплавы – пермаллои. Они имеют меньшие значения индукции насыщения, но позволяют получать высокочувствительные магнитные элементы за счет малой напряженности Нс и высокой начальной магнитной проницаемости.

Наилучшее использование магнитных свойств материала сердечника и наилучшие характеристики магнитного усилителя достигаются при использовании тороидальных (кольцевых) сердечников, навиваемых из ленты или набираемых из штампованных колец. В сердечниках этого типа отсутствуют воздушные промежутки на пути потока и рассеяние, а также достигается наибольшее равномерное намагничивание сердечника по длине магнитопровода.

Физическая картина процессов происходящих в магнитном усилителе, характеризуется, как и во всяком электромагнитном устройстве, двумя родами величин: магнитными и электрическими. Связь между ними устанавливается посредством двух законов электротехники: закона электромагнитной индукции и закона полного тока. Согласно первому из них, если приложенное к обмотке напряжение синусоидально и уравновешивается Э.Д.С. самоиндукции, то действующее значение напряжения связывается с максимальным значением индукции в сердечнике посредством уравнения:

, (1.1)

где U - действующее напряжение, приложенное к обмотке, В; f - частота питающего напряжения, Гц; W - число витков обмотки; S - площадь поперечного сечения сердечника, м²; Вм - максимальное значение индукции в сердечнике, Тл.

Согласно закону полного тока для однородного сердечника, у которого напряженность магнитного поля вдоль всего пути является постоянной величиной и совпадает по направлению с касательной к пути, имеется следующая зависимость между напряженностью поля и величиной тока в обмотке:

, (1.2)

где H - напряженность магнитного поля в сердечнике, А/м; I - ток в обмотке, А; - средняя длина пути потока в сердечнике, м.

Простейший (дроссельный) магнитный усилитель (рис. 1.1) содержит ферромагнитный сердечник, на который помещена обмотка постоянного тока Wу (обмотка управления) и обмотка переменного тока Wр (рабочая обмотка), включенная последовательно с нагрузкой Zн к источнику переменного напряжения U~. На обмотку управления Wу подается усиливаемый сигнал постоянного тока Uу. Усиленный сигнал Uн снимается с сопротивления нагрузки Zн.

Переменный ток, протекающий по рабочей обмотке Wр:

, (1.3)

где R - суммарное активное сопротивление нагрузки и обмотки Wр;

- индуктивное сопротивление рабочей обмотки.

, (1.4)

где Wp – число витков рабочей обмотки; S – площадь поперечного сечения сердечника, м²; – средняя длина пути магнитного потока, м; µ - магнитная проницаемость вещества сердечника, Гн/м; µ₀ – магнитная постоянная, Гн/м.

Из формул видно, что при постоянном напряжении питания U~ и постоянных обмоточных данных Wp изменять ток нагрузки Iн можно только за счет магнитной проницаемости сердечника.

, (1.5)

где В и Н – индукция и напряженность магнитного поля в сердечнике.

Рисунок 1.1. - Дроссельный магнитный усилитель

Известно, что у ферромагнитных материалов индукция В нелинейно зависит от напряженности магнитного поля Н рис.1.2. Пусть ток через обмотку управления Wу Iу=0. При изменении напряжения питания U~ по синусоидальному закону будет изменяться по тому же закону индукция и напряженность магнитного поля в сердечнике (кривые а и а’). магнитная проницаемость при этом не меняется, т.к. рабочий участок кривой намагничивания находится в линейной области «0». При подаче управляющего сигнала в обмотку управления, т.е. когда Iу≠0, возникает постоянное магнитное поле в сердечнике и рабочий участок кривой намагничивания перемещается вверх, попадая в нелинейную область «N» при соответствующем токе Iу. В этом случае сердечник будет находиться в режиме близком к насыщению. Магнитная проницаемость резко падает, что видно из выражения, записанного на основании (1.5)

.

Следовательно, будет уменьшаться индуктивность рабочей обмотки Lр (1.4), и увеличиваться ток нагрузки Iн (1.3). В нелинейной области «N» рост постоянной составляющей индукции В, определяемый ростом Iу, вызовет увеличение переменной составляющей напряженности H~ магнитного поля (кривые δ и δ’). Практически переменная составляющая напряженности магнитного поля создается током в цепи нагрузки Iн. По закону полного тока откуда

Рисунок 1.2 – Характеристика намагничивания ферромагнитных материалов

Таким образом, переменный ток Iн в нагрузке зависит от величины постоянного тока в обмотке управления Wу. Рассмотренная схема простейшего магнитного усилителя рис.1.1 обладает двумя существенными недостатками, которые делают его практически непригодным для использования. Первый недостаток – в обмотке управления индуктируется достаточно большая Э.Д.С. переменного тока ввиду чего усилитель либо совсем не будет управляться, либо будет управляться весьма плохо. Второй недостаток заключается в том, что как видно из рис.1.2 ток в нагрузке несимметричен, содержит как нечетные, так и резко выраженные четные гармоники. Первый недостаток можно ослабить включением большой индуктивности, которая снизит величину переменной составляющей тока в цепи обмотки управления, однако это приведет к заметному увеличению постоянной времени, а следовательно - инерционности усилителя, к тому же второй недостаток сохранится.