Швидкодійні магнітні підсилювачі

До швидкодійних відносять магнітні підсилювачі, стала часу яких менша тривалості періоду змінної напруги живлення. Якщо в звичайних підсилювачах на інерційність впливає головним чином коло управління, то в швидкодійних підсилювачах необхідно враховувати запізнення й у робочому колі. Висока швидкодія в магнітних підсилювачах (в одному каскаді) може бути забезпечена лише при використанні високоякісних матеріалів для осердь. До таких матеріалів відносять залізонікелеві сплави (пермалої), основні переваги яких: близька до прямокутної петля гістерезиса, висока магнітна проникність у слабких полях і мале значення коерцитивної сили.

Для спрощеного аналізу роботи швидкодійного магнітного підсилювача скористаємося теорією ідеалізованого магнітного підсилювача, тобто знехтуємо шириною петлі гістерезису магнітного матеріалу осердя. Виразимо цю криву графічно у вигляді ламаної лінії, що складається з трьох відрізків (рис. 2.5.2, а). Вертикальна ділянка цього графіка відповідає магнітній проникності, що прямує до нескінченності,а на горизонтальних ділянках магнітна проникність прямує до нуля. Це означає, що в режимі роботи осердя на вертикальній ділянці індуктивний опір робочої обмотки прямує до нескінченності, а на горизонтальній ділянці — до нуля.

Найпростішим швидкодійним магнітним підсилювачем є схема на одному осерді з внутрішнім зворотним зв’язком за рахунок однопівперіодного випрямлення в колі робочої обмотки (рис. 2.5.2, б).

image002

Рис. 2.5.2. Найпростіший швидкодійний

магнітний підсилювач

Роботу такої схеми можна розглядати за допомогою двох півперіодів напруги, що живить U~. Коли діод Д відкритий (полярність прикладеної напруги збігається з провідним напрямком діода), зміна магнітного стану осердя відбувається під дією струму в робочій обмотці. Цей півперіод

image004

Рис. 2.5.3. Діаграми напруги, струму та індукції називається робочим. Коли діод Д закритий, зміна магнітного стану осердя відбувається тільки під впливом струму в обмотці управління. Цей півперіод називається півперіодом управління.

У робочому півперіоді можна виділити два режими роботи підсилювача: робоча точка знаходиться на вертикальній або на горизонтальній ділянці характеристики намагнічування (рис. 2.5.2, а). У першому режимі індуктивний опір робочої обмотки дуже великий і струм у робочому колі (струм навантаження Ін) дорівнює нулю. В другому режимі індуктивний опір робочої обмотки близький до нуля і струм у робочому колі Ін визначається тільки миттєвим значенням напруги живлення й активного опору навантаження. В залежності від значення струму управління змінюється момент часу, в який індуктивний опір робочої обмотки стрибком змінюється від нескінченності до нуля (нагадаємо, що мова йде про ідеалізований магнітний підсилювач). На рис. 2.5.3 показані криві струму в робочому колі для двох значень фази відкриття підсилювача. Робочий струм, як бачимо на рисунку, має вигляд зрізаних по вертикалі синусоїдальних імпульсів. Максимальна амплітуда імпульсів image006.

Відкриття підсилювача залежить від магнітного стану осердя наприкінці попереднього, тобто півперіоду управління. Чим вище на вертикальній ділянці кривої намагнічування знаходиться точка початкової індукції (В01 і В02 на рис. 2.5.3, в), тим швидше настає момент часу, коли робоча точка зсувається на горизонтальну частину кривої намагнічування і індукція досягає значення Вs. Якщо в наступному півперіоді струм управління відсутній, то до наступного робочого півперіоду початкове значення індукції не зміниться (В0=Вs) і вихідний сигнал буде мати максимальне значення. Мінімальне запізнення зумовлене принципом роботи підсилювача зі зворотним зв’язком і може коливатися від тривалості півперіоду (у випадку збігання моменту подачі сигналу з початком півперіоду управління) до тривалості періоду (у випадку подачі сигналу з початком робочого півперіоду).

image008

Рис. 2.5.4. Статичні характеристики

Залежність вихідного струму від струму управління зображена на рис. 2.5.4, а. Як видно з характеристики, Ін = f(Іу), при Іу = 0 вихідний струм максимальний, а для його зменшення потрібно подавати від’ємний вхідний сигнал (– Іу). На практиці зручніше мати прямо пропорційну залежність вихідного сигналу від вхідного (рис. 2.5.4, б). Для одержання такої характеристики в коло управління включають додаткове джерело напруги

image013

Рис 2.5.5. Схеми швидкодійних магнітних підсилювачів із зсувом зміщення Uзм (його називають опорною напругою) із тією ж частотою, що і напруга живлення, але зсунуте по фазі на 180° (рис. 2.5.5, а).

При виконанні співвідношення між напругою живлення і опорною напругою Uзм / U~ = wу / wр необхідне розмагнічування осердя буде відбуватися протягом півперіода управління за рахунок Uзм та при Іу = 0. Відповідно при Іу = 0 струм навантаження буде дорівнювати нулю, а при збільшенні струму управління буде зростати струм навантаження, як показано на рис. 2.5.4, б.

На основі двох однопівперіодних схем побудовані двопівперіодні і реверсивні швидкодійні магнітні підсилювачі. При цьому підсилювачі з вихідним постійним або змінним струмом відрізняються з’єднанням кола навантаження. На рис. 2.5.5, б зображена схема двопівперіодного швидкодійного підсилювача, у якому опорна напруга, що забезпечує зміщення, подається з вторинної обмотки трансформатора Тр. Оскільки ця напруга протягом одного півперіоду замикає діод Д1, а протягом наступного півперіоду – Д2, у кожному з півперіодів струм проходить тільки по одній обмотці управління.

На рис. 2.5.5. зображена полярність опорної напруги, при якій діод Д2 закритий а діод Д1 відкритий. Струм управління при цьому протікає по колу «+»Uоп–wуі–Д1–Uвх–Д4(«–»Uоп). У другий півперіод, коли зміниться полярність Uon,струм управління пройде по обмотці wу2. Простежте його шлях самостійно.

Слід зазначити, що швидкодійні магнітні підсилювачі мають коефіцієнти підсилення за напругою і за потужностю менші, ніж підсилювачі з нормальною швидкодією. Вони стають швидкодійними саме за рахунок підвищення потужності сигналу управління. Тому для малопотужних підсилювачів віддають перевагу «звичайним» схемам, а не швидкодійним.

Частіше усього швидкодійні підсилювачі застосовуються для безпосереднього підсилення сигналів змінного струму (без попереднього випрямлення). Але переваги швидкодійного підсилювача будуть зведені нанівець, якщо виконавчий пристрій у системі автоматики буде мати велике запізнення. Тому реверсивні швидкодійні магнітні підсилювачі набули застосування в слідкувальних системах з малоінерційними виконавчими електродвигунами (наприклад, тими що мають порожній тонкостінний ротор або дисковий ротор із печатною обмоткою).

Васюра А.С. – книга “Елементи та пристрої систем управління автоматики”

Оставьте комментарий к статье