Принцип действия магнитного усилителя (МУ)
Схема простейшего однотактного МУ показаны на рис.10. Магнитопровод усилителя выполнен из двух отдельных сердечников. На них накладываются рабочая обмотка с числом витков W/2 на каждом сердечнике и обмотка управления (подмагничивания) с числом витков Wу, охватывающая оба сердечника. Входной величиной МУ является постоянный ток Iу обмотки управления, а выходной – переменный ток I в рабочей обмотке и нагрузочном резисторе Rн.
Ток в рабочей обмотке
|
|
|
где U – напряжение переменного тока;
R – активное сопротивление нагрузки и рабочих обмоток;
|
|
|
реактивное сопротивление рабочих обмоток.
Индуктивность [Гн] рабочих обмоток
|
|
|
где
w - число витков рабочей обмотки одной половины;
ℓ - длина средней линии сердечника, м;
F – площадь сечения сердечника, м2;
m - магнитная проницаемость сердечника, Гн/м.
Половины рабочей обмотки расположены на сердечниках так, что магнитные потоки, вызванные протеканием по ним переменного тока, будут в средних сердечниках направлены встречно и взаимно компенсировать друг друга, поэтому эти потоки никакого влияния на обмотку управления не оказывают.
Чем больше постоянный ток в обмотке управления, тем сильнее напряженность магнитного поля, связанных соотношением
|
|
|
,а следовательно, тем выше насыщение сердечника. При этом магнитная проницаемость сердечника уменьшается, что приводит к снижению индуктивности рабочих обмоток и как следствие к падению реактивного сопротивления и увеличению тока I нагрузки.
Таким образом, незначительные изменения постоянного тока управления в подмагничивающей обмотке вызывает весьма существенные изменения переменного тока в рабочей обмотке. В этом заключается эффект усиления МУ.
Характеристика МУ – зависимость тока нагрузки I от подмагничивающего постоянного тока Iу показана на рис. 10.б.
При отсутствии тока управления на выходе МУ будет небольшой тока нагрузки. Характеристика I5¦(Iу) в целом нелинейна; рабочей же ее частью является пикейный участок М1 – М2.
Для увеличения коэффициента усиления и получения характеристики усилителя с рабочей точке М, соответствующей нулевому току управления, в МУ вводится дополнительная обмотка – обмотка смещения Wсм, которая подключается к постороннему источнику постоянного тока (рис.10.в.). Ток смещения обеспечивает дополнительное подмагничивание. В обмотке управления в этом случае ток изменяется только в пределах - ∆Iу < Iу <+∆Iу при работе усилителя на рабочем участке характеристики М1 -М2 (рис. 10.г).
Магнитные усилители характеризуются коэффициентами усиления по току, напряжению и мощности. Коэффициент усиления зависит от конструктивных параметров МУ, в частности от объема меди обмоток управления, от материала сердечника магнитопровода (сталь, пермалой). Для МУ со стальными сердечниками он в несколько раз меньше, чем для пермалоевых. На коэффициент усиления влияет и частота тока нагрузки. Поскольку с увеличением частоты К возрастает, МУ широко применяется в системах с повышенной частотой. Так, при частоте 50 Гц коэффициент усиления по мощности усилителя с сердечником из трансформаторной стали, составляет 50-200, из пермалоя 100-1000, а при частоте 500 Гц соответственно 100-800 и 200-2000.