Идеальные магнитные усилители

Идеальными магнитными усилителями обычно называют усилители с высококачественными (идеальными) ферромагнетиками, которые имеют идеальные кривые намагничивания (приближающиеся к виду кривых на рис. 4−4) и отсутствует рассеивание магнитного потока.

Нетрудно заметить (рис.4−4), что у идеального ферромагнетика при |B|<|B_s| и Н=0 магнитная проницаемость м==?, а при |B|=|B_s| она падает до нуля, что и обуславливает ряд особенностей в работе идеальных усилителей.

Для нереверсивного усилителя характерны два режима работы: режим свободного намагничивания и режим вынужденного намагничивания. Если сопротивлением током четных гармоник всей цепи магнитного усилителя, где они могут возникнуть, бесконечно велики и, следовательно, четных гармоник напряжений нет, то это режим вынужденного намагничивания. Процесс работы магнитного усилителя для режима свободного намагничивания можно пояснить, используя графики, приведенные на рис.4−5. Режим свободного намагничивания — это режим, при котором сопротивление током четных гармоник всех цепей магнитного усилителя, где они могут протекать равны нулю и, следовательно, напряженности четных гармоник при прочих равных условиях максимальны. Ввиду приведенного выше определения можно записать для четных гармоник следующее выражение:

(4−1).

где U_m — амплитуда синусоиды питающего напряжения.

Если ток управления I_вх равен нулю и амплитуда косинусоиды B_ms, то ток через нагрузку также равен нулю. В соответствии с идеальной кривой намагничивания магнитная проницаемость м=?. В этом случае рабочую цепь можно рассматривать, как двух плечевой делитель напряжения с одинаковыми и равными бесконечности индуктивными сопротивлениями обмоток, поэтому из выражения можно получить для индукции:

.

где щ — частота питающего напряжения; S — площадь поперечного сечения сердечника; С — постоянная интегрирования.

При входном токе I_вх равном нулю постоянная интегрирования С также равна нулю.

.

Условие Z_вх>0 означает, что ЭДС, наводимая во входной обмотке, должна быть близка к нулю:

(4−2).

откуда или В_л=В_п+С. Следовательно, индукции обоих сердечников изменяются по одинаковым кривым, отличаясь лишь постоянными составляющими: В_л+В₀=В_п-В₀, то есть в случае, когда управляющий ток I_вх отличен от нуля и вследствие встречного включения обмоток, постоянная интегрирования равна С=2В₀.

Предположим, что входной сигнал отсутствует (U_вх=0). Тогда под действием переменного напряжения источника питания цепи нагрузки материал сердечника будет перемагничиваться, причем можно так подобрать параметры усилителя (щ_вых, U_п~, S и др.), что ни в один из моментов времени индукция в сердечнике не будет достигать индукции насыщения, т. е. |B|<|B_s| (пунктирная кривая на рис. 4−5,б).

В первоначальный момент времени при появлении тока управления за счет положительной составляющей индукции одного дросселя и постоянной индукции в другом дросселе: В_л0>В_m и В_п0=-В_sm (рис. 4−5,б). По закону косинуса магнитная индукция начинает возрастать и значения индукции определяется как В_л=В_л0+ДВ; (4−3).

В_п=В_п0+ДВ, ДВ=В_m(1-cos (щt)).

При наличии входного сигнала U_вх в зависимости от его полярности в одном из сердечников (допустим левом) постоянная и переменная составляющие индукции в течение одного полупериода складываются, а в другом вычитаются. Тогда согласно выражениям (4−3) обе индукции возрастают до некоторого момента времени (ц_нас= щt_нас), а в этот момент времени индукция в левом сердечнике достигнет индукции насыщения и, следовательно, .

После момента времени ц_нас дроссель насыщается и рабочий ток возрастает скачком. Вследствие этого можно записать следующие выражения:

; (4−4).

. (4−5).

Вследствие этого второй (правый) ненасыщенный сердечник будет попадать в режим, близкий к режиму короткого замыкания. Его входная обмотка, которая является вторичной обмоткой, окажется замкнутой накоротко. Поэтому с момента насыщения первого сердечника (левого) индукция во втором сердечнике (правом) изменяться не будет, т. е. ЭДС в обмотках не будет наводиться, и напряжение источника питания будет уравновешиваться падением напряжения на нагрузке.

В следующий полупериод будет осуществляться насыщение правого сердечника, а ненасыщенный левый сердечник окажется в режиме, близком к режиму короткого замыкания.

Чем больше величина входного сигнала, тем больше длительность импульса тока в выходной цепи (см. рис. 4−5).

Основным законом магнитных усилителей является закон магнитодвижущих сил, который говорит о том, что в любом из полупериодов один из дросселей не насыщен, поэтому суммарная напряженность равна нулю в ненасыщенном дросселе в соответствии с идеальной кривой намагничивания. Для ненасыщенного правого сердечника (|B|<|B_s|, Н=0) суммарная н. с. равна нулю, т. е.

?H_пl=i_выхщ_вых-i_вхщ_вх=0.

где l — длина проводников, откуда можно получить уравнение статической характеристики идеального магнитного усилителя:

(4−6).

Для второго сердечника:

?H_лl=-i_выхщ_вых-i_вхщ_вх=0 и, следовательно.

. (4−7).

Учитывая выражения (4−6) и (4−7) можно записать следующее.

(4−8).

что и является записью закона равенства МДС. Но выражение (4−8) является верным при условии, что длины проводников рабочей обмотки и обмотки управления равны l_вх=l_вых.

Как следует из рис.4−5, у идеального магнитного усилителя напряжение источника питания в одни моменты оказывается полностью приложенным к дросселям, а в другие — к нагрузке.

Если мгновенные значения входного тока и выходного тока отличаются в постоянное число раз, то будет справедливо выражение.

I_выхщ_вых=I_~срщ_вых=I_нщ_вых= I_вхщ_вх

где I_~ср — среднее значение тока питающего источника (за полупериод).

Следовательно, магнитный усилитель можно рассматривать как управляемый источник тока до тех пор, пока справедлив закон равенства МДС, т. е. на линейном участке 1 характеристики рис.4−6, а.

Рабочий ток I_вых не зависит от выходного напряжения U_вых, сопротивления нагрузки R_н и частоты питающего напряжения f, а зависит только от тока управления I_вх.