книги из ГПНТБ / Миловзоров, В. П. Электромагнитные устройства автоматики учебник

При расчете второго каскада /н, принимается за максимальный ток управ­ ления второго каскада / У2тах-

Расчет первого каскада усилителя с общей ПОС ведется по методу, изложен­ ному в § 3.7, включая построение характеристики Н^ = f (#_) с помощью эл­

липса нагрузки или нагрузочной прямой для каждого усилителя каскада. Об­ мотку смещения рассчитывают так, чтобы создать напряженность # см, необхо­ димую для смещения характеристики одного усилителя на середину линейного

Ншах = /н шах

определяют Нос и Ну. По ним устанавливают число витков каждой из четырех обмоток

Яос I

“ ' п о с — , ' н ш а х

и число витков каждой из двух обмоток

Нуі

иѵ=*7------

' у m a x

Сечение провода обмоток управления определяют по формуле, обеспечиваю­ щей заданное RBX усилителя,

_ Р^у h

Явх/2 '

§ 4.5. СТАБИЛЬНОСТЬ МАГНИТНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Под стабильностью работы магнитного усилителя понимают с т а б и л ь н о с т ь нуля , т. е. отсутствие выходного напряжения пли тока в реверсивных усилителях при отсутствии сигнала на входе, и п о с т о я н с т в о к о э ф ф и ц и е н т а у с и л е н и я .

Магнитный гистерезис является одной из причин ухода нуля маг­ нитных усилителей и проявляется в том, что после действия сигнала большой величины наблюдается остаточное смещение нуля. Меньшее влияние гистерезиса достигается при использовании сплавов с низ­ кими значениями коэрцитивной силы и остаточной индукции, напри­ мер, пермаллоев с содержанием 75—80% никеля. Важно также при­ менить такую конструкцию сердечников, при которой переменный магнитный поток, создающий размагничивающий эффект, проходил бы по всем участкам магнитопровода, где действует постоянное маг­ нитное поле. Толщина пластин или ленты должна быть выбрана из условия (1.11), которое обеспечивает отсутствие сколько-нибудь существенного поверхностного эффекта, потому что переменный поток размагничивает все сечение пластины.

Изменение магнитных характеристик сердечников во времени в результате механических деформаций при намотке или при измене­ нии температуры также способствует уходу нуля усилителя.

111

Изменение характеристик вентилей, особенно при изменении тем­ пературы, вызывает уход нуля и в значительной степени влияет на коэффициент усиления (ср. рис. 3.6, б). Поэтому целесообразно для диодов создавать облегченный режим (токи и напряжения значи­ тельно ниже допустимых), а также выбирать тип вентилей с большей температурной стабильностью (например, кремниевые, а не герма­

ниевые).

Токи четных гармоник отнаводимых в обмотках управления э. д. с., проходя через выпрямители предыдущих каскадов, подмагничивают сердечники этих каскадов и могут вызвать уход нуля. Э. д. с. четных гармоник значительно уменьшаются, если обмотка управления ревер­ сивного усилителя охватывает сразу четыре сердечника, как пока­ зано на рис. 4.16.

Рис. 4.16. Конструкция реверсивного усилителя с повышенной стабильностью нуля

Схемы с общей положительной обратной связью (см. рис. 4.14)

позволяют снизить уход нуля на порядок по сравнению со схемами с раз­ дельной связью. Это свойство можно пояснить следующим образом.

Если заменить изменение различных факторов (і/сети, температуры и т. п.), влияющих на величину тока нагрузки, некоторым приведен­ ным к обмотке управления изменением тока смещения на Д/см, то са­ мопроизвольное изменение тока нагрузки (уход нуля) выразим так:

Здесь цифры в индексах означают номера усилителей. Заменяя значения коэффициентов усиления усилителей с ПОС значениями из (3.4), получим

В схемах с раздельной связью при коэффициентах kcc, отличающих­ ся даже на небольшую величину, но близких к единице, разность, стоя-

111

бы принять установившееся значение, не зависящее от предыдущих

значений индукции.

Это условие проще всего выполнить двумя способами: созданием усилителя на одном сердечнике либо созданием усилителя без обмот­ ки управления (управление таким усилителем осуществляется, на­

пример, шунтированием вентилей).

Рассмотрим работу усилителя на одном сердечнике (рис. 5.1, а), обладающем идеальной петлей гистерезиса (см. рис. 1.9, б). Для

Рис. 5.1. Процессы в быстродействующем усилителе при синусоидальном сигнале

упрощения пренебрежем ее расширением от вихревых токов и маг­ нитной вязкости. Работа схемы во многом напоминает работу схемы рис. 3.5, а. Основное отличие заключается в том, что исходным яв­ ляется не заданный ток управления, а напряжение управления. По­ этому усилитель работает не в режиме вынужденного (как усилитель рис. 3.5, а), а в режиме свободного намагничивания.

В схеме рис. 3.5, а при отсутствии сигнала управления напряже­ ние на нагрузке максимально (точка 1 на рис. 3.6, а). Для перемеще­ ния начальной рабочей точки по направлению к точке 2 необходимо ввести смещение. В схеме рис. 5.1, а оно осуществляется синусоидаль-

114

ным о п о р н ы м н а п р я ж е н и е м Uon, совпадающим по часто­ те и фазе с напряжением Uc:

При отсутствии сигнала опорное напряжение, приложенное к об­ мотке йУу через вентиль Д у, открытый в управляющий полупериод, «опускает» индукцию на Aßymax до значения —B s и, следовательно, обеспечивает UHmUv Возможна также подача опорного напряжения в специально намотанную обмотку смещения. Управляющее напря­

к рабочей цепи. При этом схему замещения усилителя можно пред­ ставить в виде рис. 5.1, б.

чисто активные. Знаки «+» и «—» с буквами у и р означают на рис. 5.1 полярность напряжений в управляющий и рабочий полупериоды.

Особенностью быстродействующих усилителей является возмоохность их применения для непосредственного усиления сигналов пере­ менного тока, имеющего частоту, равную частоте сети. Рассмотрим физические процессы именно для этого случая.

К началу управляющего полупериода сердечник насыщен и нахо­ дится в точке 0 (рис. 5.1, в). В управляющий полупериод напряжение мс запирает вентиль Д„, и ток по нагрузке не течет. В этот полупериод ис можно считать напряжением смещения, которое создает ток в цепи Ry — Д; — Дор. При наличии управляющего сигнала с полярностью, показанной на рис. 5. 1, <3, этот ток течет под действием разности (ис— Му), и рабочая точка перемещается в точку 1 к моменту u>t — од. На участке 1-2 индукция изменяется, создавая на обмотке падение нап­ ряжения Мр (рис. 5.1, ж), уравновешивающее большую часть разности (мс— Му); остальная часть уравновешивается падением напряжения на Ry от неизменного тока І'с (рис. 5.1, е). На участке 2-3 напряжения уменьшаются до нуля, и рабочая точка приходит в точку 3. На этом управляющий полупериод заканчивается.

В рабочий полупериод под действием мс появляется ток в цепи Эр — Дн — Ян, и рабочая точка перемещается в точку 4.

На участке 3-4 напряжение схемы уравновешивается только паде­ нием напряжения на сопротивлении R н от тока, возрастающего от

и падением на R tt от суммы токов / с и іу на участке 4-5 уравновеши­ вается падением напряжения мр на обмотке (рис. 5.1, ж).

115

С момента 5, когда индукция достигнет насыщения, все напряжение ис до конца рабочего полупериода прикладывается к нагрузке.

Как и при управлении постоянным током (ср. § 3.4), изменяя ве­ личину сигнала Uy, можно менять момент as скачка напряжения на нагрузке и величину среднего напряжения на ней.

Заметим, что величина среднего значения напряжения Ѵѵ на обмот­ ке в управляющий и рабочий полупериоды (заштрихованы) равны по абсолютной величине, так как определяются равными по величине изменениями индукций | A ßy| = |A ß p| (рис. 5.1, в). Поэтому выра­ жение (3.27) сохраняет силу для быстродействующих усилителей, управляемых сигналом переменного тока. Рассмотренная схема яв­ ляется однополупериодной.*

*

На рис. 5.2, а приведена схема двухполупериодного быстродейст­ вующего усилителя. Цепь нагрузки такого усилителя (рис. 5.2, а) ничем не отличается от цепи нагрузки обычного усилителя с самонасыщением (ср. рис. 3.1, в и 3.8, а). Устранение влияния одного сер­ дечника на другой достигается тем, что опорное напряжение трансфор­

матора, равное Uon = , запирает поочередно один из двух вен­

тилей Д у1 или Д у2 и тем самым «отключает» ту обмотку управления, сердечник которой находится в рабочем полупериоде. Под действием разности (£/оп—Uу), приложенной к «включенной» обмотке, индукция сердечника, находящегося в управляющем полупериоде, изменяется

В следующий полупериод при запертом вентиле Д п ток потечет по цепи

^ о а ~ Д у г — ^ у2— и у — и оп. Схема управляется сигналом V у как постоянного, так и переменного тока.

Вторичное напряжение трансформатора наряду с переключением

вентилей выполняет роль напряжения смещения, как и в однополупе­ риодной схеме.

116

Как указывалось, другой способ выполнения условия быстродей­ ствия заключается в создании усилителей без обмоток управления

(рис. 5.2, б).

В таких схемах в управляющий полупериод сердечник размагни­ чивается током, протекающим через управляемое сопротивление Rm. По мере уменьшения Rm размагничивание, т. е. АВ у, увеличивается, растет падение напряжения Uv на обмотках в рабочий полупериод, а напряжение на нагрузке понижается.

Сопротивления Rm могут быть заменены транзисторами Т или тиристорами (управляемыми вентилями) ТТ, как показано пункти­ ром на рис. 5.2, б.

Изменяя сопротивление транзистора путем подачи Uу на его базу или изменяя фазу отпирания тиристора путем изменения момента по­ дачи импульса Uу на его управляющий электрод УЭ, регулируют ве­ личину Aß у и напряжения на нагрузке, мощность которой при управ­ лении тиристорами может достигать десятков киловатт.

Процесс управления усилителем с помощью изменения сопротив­ лений, шунтирующих вентили, может быть также пояснен схемой

ІeR в-

Во всех приведенных схемах удовлетворяется условие быстродей­ ствия: в ближайший управляющий полупериод после подачи сигнала Uу или после изменения сопротивления Rm изменение индукции АВ у приобретает установившееся значение, и в ближайший за управляющим рабочий полупериод к нагрузке прикладывается новое установившееся значение напряжения. Таким образом, в отличие от «обычных» уси­ лителей, где ток и напряжение нагрузки в переходном режиме возра­ стают по экспоненте, в быстродействующих усилителях наблюдается лишь запаздывание (задержка) т момента изменения напряжения на нагрузке от момента подачи сигнала. Эта задержка меняется в преде­ лах от половины периода питающей сети, если момент подачи сигнала совпал с началом управляющего полупериода, до целого периода, если этот момент совпал с началом рабочего полупериода.

§5.2. СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Вобмотке управления быстродействующих усилителей в отличие от «обычных» не происходит компенсации переменных э. д. с. основной гармоники, что обусловливает ряд особенностей.

Вычислим коэффициент усиления по напряжению при максималь­

ном сигнале, когда напряжение на нагрузке наибольшее. В этом случае

117

жение на нагрузке достигнет наибольшего значения, равного г]UC, где г| — к. п. д. рабочей цепи. Среднее за период значение напряже­ ния на нагрузке

IС = H J I W y

и увеличению падения напряжения I cR r, в результате чего падение на­ пряжения на рабочей обмотке (заштриховано на рис. 5.1, ж) умень­ шается, а напряжение на нагрузке возрастает.

На рис. 5.3 приведены характеристики вход—выход быстродейст­ вующего усилителя в относительных единицах [3]:

рис. 5.3, влечет за собой уменьшение диапазона изменения напряже­ ния на нагрузке и увеличение нелинейности характеристики. Для

снижения / с можно было бы уменьшить R y. Однако R y представляет собой в основном внутреннее сопротивление датчика усиливаемого сигнала и с его уменьшением связано увеличение так называемой по­ тенциальной мощности датчика и падение усиления по мощности.

118

П о т е н ц и а л ь н о й м о щ н о с т ь ю Р назовем наиболь­ шую мощность, которую может отдать датчик при сигнале Яу ср в на­

то, приняв R y fa RBn (так как активное сопротивление обмотки уп­ равления обычно значительно меньше RBB) и подставив в (5.4) значе­ ние ки из (5.3), получим

Из равенства (5.5) видно, что усиление по мощности возможно только при условии

Следовательно, если при уменьшении внутреннего сопротивления датчика это условие перестанет выполняться, усилитель не будет выполнять свое назначение, а датчик без усилителя окажется в состоя­ нии отдать в нагрузку (при согласующем трансформаторе) требуемую мощность.

Мощность в нагрузке максимальна, когда Яр = 0 и все напряжение сети приложено к нагрузке. Подставляя в выражение для мощности предельное значение Яс> преп (3.28) и заменяя ток через напряжен­ ность, получим для двухполупериодной схемы с учетом к.п. д. рабочей цени

В управляющие полупериоды по цепи управления протекает ток, рав­ ный / с.

Максимальное напряжение управляющего сигнала, равное опор­ ному напряжению, можно представить в виде 4fwrsBs.

Следовательно, максимальная мощность, которую должен разви­

119