Келим Ю.М. Типовые элементы систем автоматического управления

Подождите немного. Документ загружается.

Глава

23.

Магнитные

усилители

обратной

связью

301

»&

^OCf

0C2_

'oc

°J

Рис.

23.2. Схемы регулировки коэффициента обратной связи

а только к части ее витков, составляющих примерно

10—20

от общего числа витков

для чего делается специальный отвод.

Делается это для того, чтобы не возрастала значительно инерцион-

ность усилителя.

Ведь

образованный обмоткой и регулировочным

резистором замкнутый контур замедляет изменение потока тем бо-

льше, чем больше его индуктивность.

Если

регулировочный резистор подключен параллельно к

час

витков обмотки обратной связи

ьи

ж1

(рис. 23.2, а), то коэффициент

обратной связи определяется по формуле

*ос

'ос2

(23.7)

или

ос

(гю

Шр)^,

где

К^

Для обратной связи по напряжению (рис. 23.2, 6) ток обратной

связи

ос

тогда

-Н-

рем

(23.8)

Следовательно, при любом виде обратной связи (по току или по

напряжению)

сопротивление регулировочного резистора учитывает-

ся

введением в формулу для

регулировочного коэффициента

^р

ег

определяемого по

(23.7)

или (23.8).

304

Раздел

IV.

МАГНИТНЫЕ

УСИЛИТЕЛИ

МОДУЛЯТОРЫ

Рис.

23.4. Графическое построение

статической характеристики магнитно-

го усилителя с обратной связью

ристикой

усилителя бег опреде-

ляет новое значение тока холо-

стого

хода.

Сносим это

значение

на ось ординат (точка

ё).

Затем проводим еще неско-

лько прямых, параллельных Оа,

находим точки их пересече-

ния

с кривой бег. Из точек пе-

ресечения этих прямых с

осью

абсцисс восставляем перпенди-

куляры, на которые сносим точ-

ки

пересечения характеристики

обратной связи с характеристи-

кой

усилителя без обратной

связи.

Из

построения видно, что ток /

у1

< /

у2

, т. е. для получения одно-

го и того же тока нагрузки /

в магнитном усилителе с обратной

связью требуется меньший ток в управляющей обмотке, чем в уси-

лителе без обратной связи.

Построенная

таким образом характеристика усилителя с обрат-

ной

связью обозначена деж. Анализируя вид этой кривой, прихо-

дим к заключению, что характеристика магнитного усилителя полу-

чается несимметричной: в правой части ее крутизна больше, чем у

усилителя без обратной связи, а в левой части — меньше. Ветвь еж

соответствует положительной обратной связи, а ветвь де — отрица-

тельной обратной связи.

Построение

на рис. 23.4 выполнено для значения

< 1. Срав-

нение

характеристик магнитного усилителя с обратной связью и без

обратной связи показывает, что с увеличением

ток холостого

хода

в нагрузке возрастает. Для уменьшения тока холостого

хода

усилителе с положительной обратной связью применяют обмотку

смещения

охватывающую, подобно обмоткам управления и об-

ратной связи, оба сердечника (рис. 23.5, а). Эта обмотка питается

постоянным

током и обеспечивает постоянное подмагничивание

сердечников. Благодаря такому подмагничиванию характеристика

усилителя смещается влево или вправо параллельно самой себе

(рис.

23.5,

б).

Иногда

с помощью обмотки смещения начальную рабочую точ-

ку смещают на середину линейного участка

(рис.

23.5, в). Такой

усилитель можно назвать поляризованным: при положительных

значениях /

ток нагрузки линейно возрастает, при отрицатель-

ных — уменьшается.

Глава

23.

Магнитные

усилители

обратной

связью

305

1н

/у

°J

Рис.

23.5.

Магнитный

усилитель

обмоткой смещения

23.7.

Магнитные

усилители

внутренней обратной связью

рассмотренных выше магнитных усилителях

со

специальной

об-

моткой

обратной связи положительная обратная связь проявлялась

том, что в

сердечниках магнитного усилителя кроме постоянного

подмагничивания

от

тока управления создавалось

еще

одно посто-

янное

магнитное поле, пропорциональное току

(или

напряжению)

нагрузки. Такой

же

эффект достигается

и в

усилителях

внутренней

обратной связью

—

постоянное магнитное поле создается

за

счет

постоянной

составляющей тока нагрузки, протекающей

по

рабочим

обмоткам усилителя. Следовательно,

нет

необходимости

специа-

льных обмотках обратной связи. Усилители

внутренней обратной

связью называют

еще

усилителями

самоподмагничиванием.

Рас-

смотрим

работу

простейшей

схемы

(рис. 23.6, а),

которая лежит

основе

всех

схем

усилителей

внутренней обратной связью.

На сер-

дечнике расположены

две

обмотки: управления

рабочая

Для ограничения переменного тока

цепи обмотки управления,

трансформируемого (наводимого)

из

цепи рабочей обмотки,

служит

индуктивность

Напомним,

что

индуктивное сопротивление

col

пропорционально частоте, поэтому

на

значение постоянно-

го тока

индуктивность

практически

не

влияет. Последователь-

но

нагрузкой

цепь рабочей обмотки включен выпрямитель-

ный

диод

Д.

Поэтому

под

действием переменного синусоидального

306

Раздел

IV.

МАГНИТНЫЕ

УСИЛИТЕЛИ

МОДУЛЯТОРЫ

П.

напряжения

£/_

по рабочей об-

мотке и в

нагрузке

проходит од-

нополупериодный

выпрямлен-

ный

ток (рис. 23.6,

б).

Этот ток

можно представить в виде суммы

постоянной

и переменной со-

ставляющих. Постоянная состав-

ляющая тока нагрузки

создает

в сердечнике постоянное магнит-

ное поле, т. е. возникает эффект,

аналогичный действию обмотки

обратной связи в усилителе с

внешней обратной связью. Функ-

ции

обмотки обратной связи в

схеме

(рис. 23.6, а) выполняет ра-

бочая обмотка, а коэффициент

обратной связи в этом

случае

1. Данная

схема

для магнитных усилителей практически почти

не применяется, она

служит

лишь для иллюстрации принципа дей-

ствия внутренней обратной связи.

Основные

схемы

магнитных усилителей с внутренней обратной

связью показаны на рис. 23.7. Для нагрузки переменного тока испо-

льзуется

схема

(рис. 23.7, а) с обмотками управления, расположен-

ными

на

двух

сердечниках и включенными так, что переменные со-

ставляющие ЭДС, трансформируемые из рабочей обмотки, взаимно

уничтожаются. Обратите внимание на точки: они показывают, что

обмотки управления включены согласно, а рабочие обмотки —

встречно. В один из полупериодов питающего напряжения ток в на-

Рис.

23.6. Простейшая схема магнит-

ного усилителя с внутренней обрат-

ной

связью

Рис.

23.7. Основные схемы магнитных усилителей с обратной связью

Глава

23.

Магнитные

усилители

обратной

связью

307

грузку

идет через диод Д1; а в

другой

— через диод Д2. Если из схе-

мы исключить эти диоды, то получится

обычный

магнитный усили-

тель с параллельным соединением рабочих обмоток без обратной

связи

(постоянная составляющая в токе рабочих обмоток

будет

от-

сутствовать).

Для нагрузки постоянного тока используется схема (рис. 23.7,

б)

с выпрямительным мостом. Через каждую из рабочих обмоток по-

переменно

проходит

однополупериодный

выпрямленный ток, соот-

ветствующий току нагрузки. А через нагрузку

проходит

двухполу-

периодный

выпрямленный ток.

Для ступенчатой регулировки коэффициента обратной связи ис-

пользуют рабочие обмотки, состоящие из нескольких частей, кото-

рые

могут

быть включены встречно или согласно. Для плавной ре-

гулировки

применяют регулировочный резистор, шунтирующий

диоды. Например, в

схеме

по рис. 23.7,

при сопротивлении, шун-

тирующем диоды, равном нулю,

будем

иметь

= О, т. е. обратная

связь

отсутствует.

При отсутствии шунтирующих резисторов (т. е.

шунтирующее сопротивление равно бесконечности)

Вид статических характеристик усилителей с внешней и внут-

ренней

обратной связью практически одинаков. То же можно ска-

зать и о значениях коэффициента усиления. Похожи и их динами-

ческие свойства, если при этом учесть, что число витков рабочей

обмотки усилителя с внутренней обратной связью должно быть в

два раза больше числа витков рабочей обмотки усилителя с внеш-

ней

обратной связью при прочих равных условиях. Однако потери в

рабочей цепи усилителя с самоподмагничиванием меньше, чем с

внешней

обратной связи, поскольку в каждый полупериод питаю-

щего напряжения ток проходит лишь по одной из рабочих обмоток.

Следовательно, магнитный усилитель с внутренней обратной свя-

зью имеет больший КПД и коэффициент усиления по мощности,

что приводит к увеличению добротности. При одинаковых размерах

сердечников усилитель с внутренней обратной связью имеет выход-

ную мощность почти в полтора раза больше, чем усилитель с внеш-

ней

обратной связью. Кроме этих достоинств усилители с внутрен-

ней

обратной связью имеют меньшее число обмоток, а в некоторых

случаях и меньшее число диодов (вентилей). Поэтому в настоящее

время преимущественное применение (особенно в мощных усили-

телях)

получила внутренняя обратная связь. Внешнюю обратную

связь

применяют в тех маломощных усилителях, где главным требо-

ванием

является стабильность работы. Сюда относятся, например,

магнитные усилители, применяемые в измерительной и вычислите-

льной

технике.

308

Раздел

IV. МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ И

МОДУЛЯТОРЫ

Следует

отметить, что для создания высококачественных и ста-

бильных магнитных усилителей с самонасыщением требуются не

только высококачественные материалы для сердечников, но и высо-

кокачественные выпрямители, имеющие прежде всего высокое об-

ратное сопротивление.

Контрольные

вопросы

Зачем

магнитных усилителях используется обратная связь?

В чем

разница между внешней

внутренней обратной связью?

Как

регулируется коэффициент обратной связи?

Глава

РЕВЕРСИВНЫЕ

МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

24.1.

Статическая характеристика реверсивного

(двухтактного) магнитного усилителя

Реверсивные магнитные усилители отличаются тем, что при изме-

нении

полярности входного сигнала (тока управления) изменяется

полярность выходного сигнала (тока нагрузки). Реверсивные маг-

нитные усилители

могут

питать нагрузку постоянного или перемен-

ного тока. В последнем

случае

в зависимости от полярности тока

управления изменяется на 180° фаза выходного напряжения. Стати-

ческая характеристика реверсивного магнитного

усилителя показана на рис. 24.1. Она представ-

ляет собой симметричную кривую, проходящую

через начало координат. Таким образом, при от-

сутствии управляющего сигнала

= 0) ток в на-

грузке

также равен нулю. Напомним, что в

нереверсивных (однотактных) магнитных усили-

телях при

= 0 через нагрузку проходит ток хо-

лостого

хода

н0

для уменьшения которого ис-

пользуют, например, смещение.

Рис.

24.1. Статиче-

екая

характеристика Соответствующую статическую характери-

реверсивного

магнит- стику реверсивного магнитного усилителя мож-

ного

усилителя но получить, если соединить два одинаковых

Глава

24.

Реверсивные

магнитные

усилители

Зв9

нереверсивных усилителя таким образом, что-

бы они действовали на общую нагрузку встреч-

но

при общем управляющем сигнале. На

рис.

24.2 показаны две характеристики

и 2)

однотактных магнитных усилителей со смеще-

нием

и без обратной связи. При встречном

включении таких усилителей их результирую-

щая

статическая характеристика получается

графически сложением кривых 1 и 2. Для того

чтобы ток нагрузки при

был равен нулю,

необходима идентичность характеристик маг-

нитных усилителей, составляющих реверсив-

ный

магнитный усилитель. Однотактные маг-

нитные

усилители, на основе которых выпол-

няется

реверсивный магнитный усилитель,

могут

быть включены по

дифференциальной

или мостовой схеме. Напомним, что аналогич-

ным

способом обеспечивалась реверсивная характеристика в раз-

личных преобразователях, рассмотренных в разделе II. Различают

реверсивные магнитные усилители с выходным постоянным и пере-

менным

током, с обратными связями и без них. Так как реверсив-

ный

магнитный усилитель состоит из

двух

однотактных усилителей,

то он имеет четыре сердечника, но разработаны схемы и с умень-

шенным

числом сердечников.

Рис.

24.2. Построе-

ние

статической ха-

рактеристики

ревер-

сивного

магнитного

усилителя

24.2.

Усилители с выходным

переменным

током

Дифференциальная

схема реверсивного магнитного усилителя без

обратной связи показана на рис. 24.3. Два одинаковых однотактных

усилителя

МУ1

и МУ2 с последовательно соединенными рабочими

обмотками питаются от вторичной обмотки дифференциального

трансформатора Тр. Нагрузка

включена

между

средними точками

вторичной обмотки трансформатора Тр и рабочих обмоток усилите-

лей МУ1 и МУ2. Применяя принцип наложения, можно рассматри-

вать ток через нагрузку как разность

двух

токов:

При

отсутст-

вии

входного сигнала

= 0) токи /, и

должны быть равны. Они

определяются смещением, т. е. начальным подмагничиванием за

счет постоянного тока, протекающего по обмоткам смещения

см

Для балансировки (установки нуля) реверсивного усилителя при

Аг

служит регулировочный резистор

ver

Дело в том, что изгото-

вить два однотактных магнитных усилителя с абсолютно одинако-

выми характеристиками практически невозможно, поэтому путем

310

Раздел

IV.

МАГНИТНЫЕ

УСИЛИТЕЛИ

МОДУЛЯТОРЫ

Рис.

24.3. Дифференциальная реверсивная

схема

магнитного усилителя

регулировки смещения обеспечивают равенство токов /, и /

при

= 0. Обычно не удается добиться одновременно равенства и амп-

литуды и фаз этих токов, поэтому

даже

при /

0 по нагрузке про-

ходит

ток небаланса

* 0).

Обмотки смещения и управления однотактных усилителей МУ1

МУ2 включены таким образом, что при подаче управляющего сиг-

нала /

в одном усилителе напряженности поля управления и сме-

щения

складываются, а в

другом

— вычитаются. В итоге ток /, од-

ного усилителя возрастает, а ток /

другого

усилителя уменьшается и

нагрузке появляется ток /

= /, - /

. При перемене полярности тока

управления магнитные усилители как бы меняются местами: /, уме-

ньшается,

а /

возрастает. В итоге фаза выходного тока

/„

= /,- /

из-

меняется

на 180°.

Следует

обратить внимание на то, что, поскольку

речь идет о переменных токах, ток нагрузки фактически представ-

ляет собой не алгебраическую, а геометрическую (векторную) раз-

ность.

Заметим,

что короткозамкнутый контур, создаваемый обмотка-

ми

смещения (как и любой

другой

обмоткой), увеличивает инерци-

онность

усилителя, т. е. затягивает продолжительность переходного

процесса. Для того чтобы уменьшить это вредное влияние, сопро-

тивление контура увеличивают за счет дополнительных постоянных

сопротивлений R.

Существенным недостатком дифференциальной схемы ревер-

сивного усилителя по рис. 24.3 является наличие трансформатора

Глава

24.

Реверсивные

магнитные

усилители

311

Тр.

От этого недостатка свободна мостовая схема реверсивного уси-

лителя.

Данная

схема также содержит четыре сердечника, причем об-

мотки

управления и смещения выполняются так же, как и в диффе-

ренциальной

схеме, а рабочие обмотки

соединяются

схему

мос-

та, как показано на рис. 24.4. В одну диагональ моста (между точка-

ми

и б) подводится напряжение источника питания

U~,

а в

другую

диагональ моста (между точками

виг)

включается нагрузка

При

отсутствии тока управления

= 0) индуктивные сопротивления

всех

рабочих обмоток

одинаковы и мост уравновешен, т. е. ток в

цепи

нагрузки

отсутствует

= 0). Так же как и в дифференциаль-

ной

схеме, при подаче управляющего сигнала

* 0) подмагничива-

ющее поле обмоток управления складывается с полем обмоток сме-

щения

в одной паре сердечников, а в

другой

паре — вычитается из

него.

Таким образом, индуктивное сопротивление одной пары рабо-

чих обмоток, включенных в противоположные плечи моста, умень-

шается, а индуктивные сопротивления

другой

пары рабочих обмо-

ток

соответственно в

других

противоположных плечах моста увели-

чиваются. В

результате

баланс моста нарушается и через нагрузку

протекает ток. Направление тока нагрузки определяется полярно-

стью тока управления, т. е. при изменении полярности сигнала фаза

тока нагрузки меняется на 180°. Поэтому статическая характеристи-

ка

мостовой схемы, так же как и дифференциальной, имеет вид, по-

казанной

на рис. 24.1.

Рис.

24.4,

Мостовая реверсивная схема магнитного усилителя

312

Раздел

IV.

МАГНИТНЫЕ

УСИЛИТЕЛИ

МОДУЛЯТОРЫ

Не

требуется отдельного трансформатора и в так называемой

трансформаторной

схеме

реверсивного магнитного усилителя. Эта

схема работает аналогично дифференциальной, но отличается удво-

енным

количеством рабочих обмоток. Половина этих обмоток вы-

полняет функции первичных обмоток трансформатора и включается

на

напряжение питания

U-.

Другая половина этих обмоток выпол-

няет

функции вторичных обмоток трансформатора и питает нагруз-

ку. Таким образом, сердечники магнитного усилителя одновремен-

но

являются и сердечниками трансформатора.

Сопоставление дифференциальной, мостовой и трансформатор-

ной

схем

показывает, что с точки зрения коэффициента усиления и

отдаваемой мощности они примерно одинаковы. Но наиболее про-

стой является мостовая схема, которая и находит наибольшее при-

менение.

Однако применять ее можно лишь

тогда,

когда напряже-

ние

питания на

20—30

% превышает требуемое максимальное на-

пряжение

на нагрузке. В

других

случаях применяют

трансформаторную или дифференциальную

схему

реверсивного

магнитного усилителя.

24.3.

Реверсивные магнитные усилители с выходным

постоянным

током

В реверсивном магнитном усилителе с выходным постоянным током

при

изменении полярности входного сигнала ток в нагрузке меняет

направление на обратное. Такие усилители выполняются по диффе-

ренциальной

схеме, т. е. ток в нагрузке представляет собой разность

двух

выпрямленных токов. Реверсивный усилитель выполняется в

виде

двух

однотактных (нереверсивных) усилителей с выпрямителя-

ми

в цепях рабочих обмоток. На рис. 24.5 приведена одна из воз-

можных

схем

реверсивного усилителя с выходным постоянным то-

ком.

Рассмотрим отдельно цепь постоянного тока (рис. 24.6, а). Для

того чтобы токи каждого из однотактных усилителей

протека-

ли

через нагрузку

во встречных направлениях, диодные выпрями-

тельные мосты должны быть соединены последовательно. Однако

при

таком соединении образуется шунтирующая цепь, через кото-

рую может проходить ток, минуя нагрузку. Через нагрузку проходит

только часть тока рабочих обмоток, определяемая соотношением со-

противлений

нагрузки и диодного моста. Это существенно снижает

максимальную мощность в нагрузке. Для увеличения тока в нагрузке

последовательно с выпрямительными мостами включаются балласт-

ные

сопротивления

R§.

На рис. 24.6, б показаны зависимости