Імпульсне перемагнічування феромагнетиків

Поряд з напівпровідниковими приладами в цифрових пристроях знайшли широке використання магнітні матеріали з прямокутною петлею гістерезису. З цих матеріалів виготовляють магнітні осердя, які мають два стійкі магнітні стани.

Для цифрових пристроїв, що перемикаються, використовуються магнітні осердя двох видів: стрічкові пермалоєві і феритові.

Такі осердя, зовнішній вигляд яких показаний на рис.1.1.1, мають петлю гістерезису майже прямокутної форми (рис.1.1.2,а), малу величину коерцитивної сили Hc і, як наслідок, велику швидкість переходу від магнітного стану одного знаку до магнітного стану іншого знаку.

image002

Рис.1.1.1 Зовнішній вигляд стрічкових і феритових осердь тороїдальної форми

Стрічкові осердя мають кращі магнітні характеристики у порівнянні з феритовими. Однак останні мають велику швидкодію, оскільки у них майже відсутні втрати на вихрові струми, які сповільнюють перемагнічування осердя. До того ж вони більш прості у виготовлені і мають більшу величину коефіцієнта прямокутності, ніж стрічкові осердя, але час перемагнічування і коерцитивна сила у феритових осердях значно сильніше залежить від температури.

Розглянемо роботу магнітного елемента, який складається з осердя з обмотками. Припустимо, що при пропусканні імпульсу струму І1 через обмотку осердя (рис.1.1.2,б) воно намагнічується до насичення в одному з напрямків, скажімо, до позитивного значення індукції m (див.рис.1.1.2,а, де з віссю В суміщені вісі часу з зображенням імпульсів, які надходять в обмотки, і імпульсів, які видаються на виході). Якщо струм намагнічування вимкнути, то намагнічування осердя зміниться досить мало – до величини, що відповідає залишковій магнітній індукції Вr. Осердя залишається намагніченим. Позначимо цей стан намагнічування одиницею «1».

Якщо тепер пропустити струм І3 через третю обмотку, то спочатку намагнічування осердя буде зменшуватись досить повільно до тих пір, поки не досягне верхнього лівого коліна петлі гістерезису, після чого воно швидко досягне нижнього лівого коліна, а потім повільно дійде до величини — Вm. При вимкненні струму намагнічування осердя, як і раніше, зміниться досить мало і буде відповідати значенню - Вr. Позначимо цей стан нулем («0»).

Таким чином, магнітний елемент, подібно спусковій схемі (тригера), перемикається з одного стійкого стану в інший і залишається в ньому після завершення дії імпульсу перемикання.

На рис.1.1.2,б і наступних рисунках крапкою позначені початки обмоток. У відповідності з правилом «гвинта» будемо вважати, що, якщо струм входить в початок обмотки, осердя намагнічується у від’ємному напрямку, якщо ж струм виходить з початку обмотки, осердя намагнічується в позитивному напрямку.

При виконанні повторного намагнічування осердя в тому ж самому напрямку, що і в останній раз, внаслідок прямокутньої петлі гістерезису матеріалу осердя зміна магнітного потоку в осерді, а разом з тим і напруга, що індукується у вихідній обмотці, будуть досить малими.

Таким чином, перемагнічуючи осердя вхідним сигналом в один стан (звичайно в стан «1») а потім «перевіряючи» цей стан шляхом перемагнічування осердя в інший стан («0»), ми можемо за величиною зміни магнітної індукції чи за величиною ЕРС, яка індукується у вихідній обмотці, розрізняти стан намагніченості осердя. Наприклад, якщо осердя знаходилося в стані «1», то при його перевірці струмом І3 (рис.1.1.2,б) отримаємо відносно велику зміну магнітної індукції; якщо ж осердя до перевірки знаходилося в стані «0», то в результаті перевірки буде отримана досить мала зміна магнітної індукції.

image004

Рис. 1.1.2 Двійковий магнітний елемент з осердям, який має прямокутну форму петлі гістерезису: а — петля перемагнічування осердя і часове співвідношення імпульсів, які надходять на вхід і видаються на виході; б — схема включення обмоток;

в — умовне позначення

Таким чином, в обмотках осердя у відповідності з формою петлі гістерезису (рис.1.1.2) при зміні магнітної індукції від Bm до Br (чи від Bm до -Br) індукується ЕРС завади, а при зміні магнітної індукції від Br до Bm (чи від Br до -Bm) індукується ЕРС корисного сигналу.

Схеми на магнітних осердях, як правило, будуються таким чином, що стан намагніченості осердь неперервно повторюється спеціальними імпульсами, які називаються тактовими і позначаються Іт.і..

Щоб на виході осердя сигнал з’являвся тільки при «перевірці» його стану намагніченості, тобто при дії тактового імпульсу, і не з’являвся при надходженні вхідного сигналу, послідовно з вихідною обмоткою включається діод Д. Завдяки цьому енергія вхідного імпульсу витрачається тільки на власне перемагнічування осердя в стан «1», оскільки зовнішнє навантаження від’єднане при цьому від обмотки осердя діодом Д і, як наслідок, вихідний струм І2 відсутній і не створює розмагнічувальної дії, як це має місце у звичайних трансформаторах.

Якщо в транзисторах підсилення за потужністю імпульсу, який надходить на вхід, здійснюється за рахунок енергії колекторного джерела живлення U, то в магнітному перемикачеві, який також має підсилювальні властивості, підсилення вхідного сигналу за потужністю здійснюється за рахунок енергії, яка підводиться від джерела тактових імпульсів.

Величина струмів в обмотках 1 і 3, необхідна для перемагнічування осердя із стану «0» в стан «1» і навпаки, визначається на основі закону повного струму, згідно з яким магніторушійна сила (МРС) F, яка діє вздовж замкненого контуру, рівна сумі всіх струмів, що пронизують цей контур. Магніторушійна сила, яка діє в осерді (рис.1.1.2):

image006, (1.1.1)

де wI являє собою суму ампер-витків, які проходять через вікно осердя.

Магніторушійна сила, яка припадає на одиницю довжини кола осердя, дорівнює напруженості поля. Якщо МРС розподілена рівномірно по всій довжині кола осердя, тоді маємо формулу для середнього значення напруженості поля:

image008, (1.1.2)

де w – число витків обмотки; l – середня довжина магнітних силових ліній (l=2prср); rср – середній радіус осердя, см.

Згідно закону повного струму, напруженість в замкненому однорідному осерді однозначно визначається струмами в його обмотках. Якщо ж відома величина напруженості поля, то у відповідності з формулою (1.1.2) можна вважати відомим і струм в обмотці осердя. Якщо на осерді знаходиться декілька обмоток w1, w2, w3…wn, по яким протікають відповідно струми І1, І2, І3…Іn , тоді підсумкова напруженість поля складає:

image010 (1.1.3)

Таким чином, струм, який підводять до тактової обмотки, повинен створити не тільки поле, необхідне для перемагнічування власного осердя з стану «1» в стан «0», а також і додаткове поле, необхідне для подолання дії зустрічного розмагнічувального поля, яке створюється струмом навантаження. Таким чином тактовий імпульс забезпечує зусилля за потужністю вхідного сигналу.

Тому струм вхідного сигналу визначається як

image012; (1.1.4)

де w1 кількість витків вхідної обмотки, а струм тактового імпульсу (при w1 = w2 = w3) повинен бути рівним :

image014image016, (1.1.5)

де І2 – струм в вихідній обмотці w2.

Звичайно на блок-схемах застосовують спрощені позначення магнітних елементів. Одне з таки позначень приведене на рис.1.1.2,в, де коло відповідає осердю. Стрілка, яка направлена всередину осердя, відповідає входу магнітного елемента або вхідному колу управління; стрілка, що виходить з кола, відповідає виходу.

Цифри, які вказані в середині кола і відносяться до вхідних кіл, визначають положення, в яке перемагнічується осердя вхідним сигналом. Цифри, що відносяться до вихідних кіл, показують, в яке положення необхідно перемагнітити осердя щоб отримати на виході управляючий сигнал. Наприклад, якщо в магнітний елемент (рис.1.1.2,в) струмом І1 записати «1», то при надходженні тактового імпульсу І3 осердя перемагнітиться в стан «0» і на виході з’явиться імпульс.

Якщо ж осердя знаходиться в стані «0», то тактовий імпульс, що надійде, не змінить стан осердя і імпульс на виході не з’явиться.

Треба відзначити, що запис і зчитування інформації повинні проходити в різні моменти часу, інакше запис інформації не відбудеться, тому що поле, яке утворене тактовим імпульсом, знищить поле, що утворюється вхідним імпульсом струму. Ця умова, а також закон повного струму, з якого випливає рівняння (1.1.5), покладені в основу побудови пристроїв перемикання на магнітних елементах.

Частота передачі інформації в таких пристроях може досягти декількох сотень кілогерц і вище. При цій частоті перемагнічування під дією імпульсів струму виникає магнітна в’язкість.

Фізична природа магнітної в’язкості поля ще не зрозуміла остаточно, але зовнішньо її прояв ілюструє рис.1.1.3,а.

Припустимо, що в елементі зберігається “1” (тобто його індукція дорівнює +Вr) і в обмотку wзч подається імпульс струму iзч, за формою близький до прямокутного (рис.1.1.3,а), що створює напруженість Нm, спрямовану проти годинникової стрілки (негативну на рис.1.1.) і достатню для повного перемагнічування (тобто до точки -Вm) матеріалу. У процесі перемагнічування в обмотці wвих наводиться ЕРС, яка за законом електромагнітної індукції дорівнює

image018, (1.1.6)

де s — перетин магнітопроводу.

image024image020image021image022image023

Рис. 1.1.3 Процес імпульсного перемагнічування (а) та

його інтегральна характеристика (б)

Графічно інтегруючи криву (1.1.6), отриману у вигляді осцилограми (рис. 1.1.3, а), можна знайти залежність зміни магнітної індукції елемента в часі:

image026. (1.1.7)

Залежність iзч(t), також отриману у вигляді осцилограми, можна перетворити в залежність напруженості в часі:

H(t)=iзч(t)/lсер, (1.1.8)

де lсер - довжина середньої лінії кільцевого магнітопроводу (див. рис. 1.1., б).

Порівняння кривих (1.1.8) і (1.1.7) на рис. 1.1.3,а переконує, що магнітна індукція досягає значення Вт із значним відставанням у часі після того моменту, коли напруженість магнітного поля вже досягла значення Нт. У цьому відставанні, яке складає в магнітопроводах із фериту частки й одиниці мікросекунди, і виявляється магнітна в’язкість.

Для багатьох розрахунків достатньо знати усереднені за час повного перемагнічення (інтегральні) значення величин, які характеризують процес перемагнічування від +Вr до -Вr або в зворотному напрямку. Цей час позначають через t (рис.1.1.3,а). Типова для феритів залежність величини 1/t (оберненої часу повного перемагнічення) від напруженості Нт, прийнятої за прямокутний імпульс, приведена на рис. 1.1.3, б.

Величина Ho називається пороговою напруженістю, тому що при напруженостях, менших Нo, які утворюються коротким імпульсом струму ізч, матеріал, можна вважати, ще не починає перемагнічуватися.

Гранична напруженість Но визначається відрізком, що відтинається продовженням лінійної ділянки кривої на осі абсцис. Для лінійної ділянки

tg а =(Hm-Ho)/( 1/t)=t (Hm-Ho)= const,

tg а є постійною величиною (константою), тому процес імпульсного перемагнічення можна характеризувати формулою

Sw = t(Hm-Ho), (1.1.9)

в якій константа, позначена Sw, називається коефіцієнтом переключення.

З (1.1.9) випливає висновок, що чим більша намагнічувальна сила Нт і менша Н0, тим швидше перемагнітиться матеріал. Зауважимо, що розрахунок часу повного перемагнічування, використовуючи (1.1.9),

t=Sw/(Hm-Ho)

дає результати, близькі до експериментальних лише при умові Нт>Нгр.

Коефіцієнт перемикання Sw є величиною постійною в широких межах зміни намагнічувального поля, але залежить від матеріалу і геометричних розмірів осердя. В окремому випадку, він залежить від величини нахилу бокових сторін петлі гістерезису (див. кут a на рис.1.1.2). Цей нахил пояснюється різною довжиною магнітних шляхів зовнішніх і внутрішніх ділянок магнітного матеріалу, тобто залежить від товщини стінок осердя.

Дійсно, якщо б кут нахилу a був рівний 900, стан намагніченості осердя змінювався б миттєво, однак наявність нахилу у петлі гістерезису бокової стінки, який перевищує 900, а також наявність кінцевої довжини фронту імпульсу струму перемикання призводить до деякого сповільнення перемагнічування осердя.

Звідси випливає, що чим товстіші стінки тороїдального осердя, тим повільніше він перемагнітиться чи тим більшої тривалості буде отриманий вихідний сигнал.

Для більшості феритових осердь коефіцієнт перемикання має значення від 0.2 до 0.5 мкКл/см .

Використовуючи характеристику 1/t =f(Hm), легко визначити середнє значення ЕРС, що наведеться, наприклад, у вихідній шині (проводі), пропущеній через кільцевий магнітопровід перетином s, із матеріалу з залишковою індукцією Вr, при деякому значенні прямокутного імпульсу напруженості Нт в перемагнічувальній обмотці:

Eвих сер=2sBr(1/t), (1.1.10)

де 1/t взяте з характеристики 1/t=f(Hm).

Можна оцінити й амплітудне значення цієї ЕРС:

Eвих m=Eвих сер /kф,

де kф — коефіцієнт форми, рівний для феритових кільцевих магнітопроводів 0,55-0,65.

Прямокутність петлі гістерезису магнітних матеріалів оцінюється відношенням залишкової магнітної індукції Br до максимальної індукції Bm , при якій відбувається магнітне насичення матеріалу, і позначається буквою р=Br/Bm. Величина р для більшості тороїдальних осердь в полі напруженістю Hm=5Hc коливається від 0,85 до 0,95, а час перемикання складає від 0,4 до 1 мкс для феритових і від 0,2 до 2 мкс для стрічкових осердь.

Слід мати на увазі, що час перемагнічування осердя залежить від підсумкової напруженості магнітного поля, яка створюється в осерді, і може бути визначений з рівняння (1.1.6) чи орієнтовно з графіка, приведеного на рис. 1.1.4. При цьому необхідно прикладати таке поле, при якому осердя буде перемагнічуватись по наперед відомому граничному циклу чи по граничній петлі гістерезису. При роботі з полями меншої напруженості, ніж Hm для граничного циклу, перемикання осердя може відбуватися по так званим частинним циклам. В цьому випадку при незначних зменшеннях струмів живлення робота схеми буде порушуватися. Тому слід вибирати:

image028 (1.1.11)

image030

Рис. 1.1.4. Залежність часу перемагнічування (1/t) осердь

від напруженості магнітного поля

а - для феритових осердь типів: 0,12 ВТ, розміром 2х1,4х1,45мм (крива 1);

0,16ВТ, розміром 3х2х1,3мм (крива 2); 0,3 ВТ, розміром 3х2х1,4мм (крива 3);

б — для осердя з пермолоєвої стрічки 79 НМ товщиною прокату 3 мк.

Нами було розглянуто магніто-напівпровідниковий елемент (МНЕ),
в якому зв’язок з наступним елементом здійснюється через пасивний прилад – діод. Через це такі елементи отримали назву магніто-діодних елементів (МДЕ).

Основним недоліком приведених елементів є те, що для підсилення вхідного сигналу необхідна значна потужність від джерела тактових імпульсів. Споживча потужність особливо зростає при одночасному зчитуванні “1” з декількох осердь, і тим більше, чим більше осердь включено до перемагнічувальних осердь. Зростання потужності пояснюється тим, що при перемагнічуванні осердя магнітного елемента в його тактовій обмотці виникає ЕРС зворотної полярності. В результаті сумарний вхідний опір обмоток осердь, які перемагнічуються, збільшується в десятки разів. При цьому амплітуда імпульсів тактового генератора може зменшитися і, в зв’язку з цим, порушиться нормальна робота схеми.

Практично встановлено, що застосування в якості тактового генератора блокінг-генераторів на транзисторах типу МП41-МП42, які працюють при напрузі живлення 12-15 В (Iт.і=0,3А), допускається одночасне зчитування «1» не більше ніж з трьох-чотирьох осердь, які мають зовнішній діаметр 3 мм, а цього в багатьох випадках недостатньо.

Розрахунки показують, що для того, щоб магніто-діодний елемент при перемагнічуванні міг одночасно перемагнітити друге осердя, число ампер-витків в його тактовій обмотці повинно бути в 4-5 разів більше, ніж у вхідній обмотці. При цьому споживання струму від джерела тактових імпульсів зростає в 4-5 разів порівняно з струмом у вхідній обмотці. Отже, щоб збільшити кількість «1», що одночасно зчитуються при даному джерелі тактових імпульсів, необхідно пасивний діод в елементі замінити активним транзистором. Останній, в свою чергу, дозволить збільшити навантажувальну здатність елемента без збільшення споживаної потужності від джерела тактових імпульсів. Під навантажувальною здатністю потрібно розуміти яку кількість наступних елементів може перемагнітити кожен попередній елемент. Магнітний елемент з транзистором називають магніто-транзисторним елементом (МТЕ ).

До теперішнього часу розроблена велика кількість різних схем МТЕ. Їх можна поділити на МТЕ без позитивного зворотного зв’язку і МТЕ з позитивним зворотним зв’язком.

МТЕ без зворотного зв’язку (рис.1.1.5,а і рис.1.1.5,б). Тут осердя зв’язане з транзистором через обмотку 2. Якщо осердя знаходиться в стані «1», то при надходженні зчитувального імпульсу Ізч в обмотку 3 відбувається зміна його стану. В той же час швидка зміна магнітного

image032

Рис. 1.1.5. Схеми магніто-транзисторних елементів без позитивного зворотного зв’язку а - без зміщення; б — зі зміщенням; в — з додатковим осердям, яке компенсує завади при зчитуванні «0»; г — часова відповідність в схемі з додатковим осердям; 1 — зчитувальні імпульси; 2 — імпульси на виході обмотки 2 осердя А; 3 — теж осердя Б; 4 — підсумкові напруги на вході транзистора Т

потоку індукує ЕРС в обмотці 2. Напруга, яка подається на транзистор Т, від’ємна на базі по відношенню до емітера. Через це транзистор відкривається, в колекторному колі виникає значний струм, який визначається величиною опору послідовно під’єднаного резистора Rk, напругою джерела живлення і амплітудою імпульсу струму збудження в колі бази. Цей струм також може проходити по вхідній або зчитувальній обмоткам наступних елементів, що є навантаженням Zн для елемента, який нами розглядається.

Якщо використовуються осердя, в яких Br/Bm<0,85, то в обмотці 2 при зчитуванні «0», а також при запису «1» можуть виникнути завади з амплітудою, яка достатня для помилкового відкривання транзистора. Щоб запобігти цьому явищу, в коло бази вводять невелике додатне зміщення (рис.1.1.5,б) порядку 0,2-0,4 В.

image034

Рис. 1.1.6. Схеми магніто-транзисторних елементів з позитивним зворотнім зв’язом

а — з навантаженням, яке включене між колектором транзистора і мінусом джерела живлення; б - з навантаженням, яке включене між емітером і загальним проводом;

в — з резистором Rб, який стабілізує струм бази; г — з негативним зворотним

зв’язком в колі емітера

У відповідальних випадках знешкодження завад, які виникають при зчитуванні «0», здійснюється додатковим осердям, яке компенсує завади, і обмотки якого ввімкнені так, як показано на рис. 1.1.5, в. Кількість витків на додатковому осерді береться те ж, що і на відповідних обмотках основного осердя. В результаті при такому співвідношенні витків і відбувається компенсація завад (рис.1.1.5, г). За такою ж аналогією за рахунок введення другого додаткового осердя можна усунути вплив завад, які виникають при записі «1».

Основною перевагою МТЕ без позитивного зворотного зв’язку є простота і мала чутливість до завад, особливо при підвищеній температурі. Однак він має порівняно велике споживання енергії від тактового генератора і сильну залежність параметрів вихідного імпульсу від індивідуальних властивостей транзистора і осердя.

МТЕ з позитивним зворотнім зв’язком (рис.1.1.6). За принципом дії він нагадує роботу схеми блокінг-генератора. Припустимо, що в схемі, зображеній на рис.1.1.6,а, в осерді записана «1», тоді при надходжені зчитування Ізч між базою і емітером виникає напруга, яка приводить транзистор у напіввідкритий стан. Внаслідок існування зворотного зв’язку між базою і колектором транзистора виникає процес лавиноподібного наростання колекторного струму. Відбувається повне відкривання транзистора, і відповідно перемагнічування осердя відбувається по колу зворотного зв’язку колекторним струмом транзистора.

Оскільки від Ізч вимагається початкове відкривання транзистора, то внаслідок цього зчитувальною обмоткою необхідно створити напруженість поля, що дорівнює або трохи більше, ніж величина коерцитивної сили Hc, тоді як в МТЕ без зворотного зв’язку необхідно прикласти поле величиною Hm. Звідси випливає, що потужність зчитувальних (тактових) імпульсів в МТЕ з зворотним зв’язком може бути знижена в 5-10 разів. Це і є основною перевагою МТЕ з позитивним зворотним зв’язком порівняно з МТЕ без зворотного зв’язку.

Наявність зворотного зв’язку особливо проявляється при роботі МТЕ в умовах значних від’ємних температур, тому що при від’ємній температурі 30-500С не тільки різко підвищується енергія, необхідна для перемагнічування феритового осердя, але і значно зменшується коефіцієнт підсилення транзистора. Саме тому в цих умовах зворотний зв’язок здійснює великий вплив на підвищення працездатності елемента. Тому такі МТЕ , не дивлячись навіть на те, що вони, в принципі, мають меншу завадостійкість, особливо при додатних температурах, знаходять виключно широке застосування.

Схема, приведена на рис.1.1.6,б, відрізняється від попередньої місцем включення колекторного і навантажувального резисторів, а також полярністю вихідного імпульсу напруги.

Для того, щоб виключити вплив відмінностей у значеннях вхідного опору транзисторів, тобто для стабілізації струму бази і відповідно тривалості колекторного імпульсу при масовому виготовлені елементів звичайно в базове коло транзистора включають стабілізувальний резистор Rб номіналом 50 Ом (рис.1.1.6,в).

Стабілізація параметрів транзисторів, а також зменшення тривалості імпульсу з метою підвищення граничної частоти роботи елементів досягається за рахунок введення слабкого негативного зворотного зв’язку, який здійснюється шляхом введення в коло емітера резистора Rе з опором порядку 5-10 Ом (рис.1.1.6,г).

Усунення впливу завад здійснюється тими ж засобами, що й в МТЕ без прикладеного зворотного зв’язку. Відповідно засоби стабілізації струму бази, параметрів транзисторів і тривалості колекторного струму, наведені на рис.1.1.6, можуть застосовуватись і для МТЕ без позитивного зворотнього зв’язку.

Слід відмітити, що пристрої, виконані з застосуванням магнітних елементів, володіють виключно високою надійністю і малим споживанням енергії від джерела живлення, ніж аналогічні пристрої, виконані на транзисторах і діодах. Однак перші пристрої мало технологічні у виготовленні, тому основне застосування магнітні осердя знаходять в запам’ятовувальних пристроях, де застосування інших приладів викликає великі труднощі, і там, де до пристроїв ставляться високі вимоги з надійності та економічності живлення.

Васюра А.С. – книга “Електромагнітні елементи цифрової техніки”

Оставьте комментарий к статье