Материал: Конспект лекций по курсу Электрические и электронные аппараты. Гуляев А.А., Королев Н.И

106

Большое значение имеет D-триггер, представляющий собой элемент памяти с одним входом, предназначенный для запоминания логических сигналов. Его часто называют триггером задержки, в виду того, что значение переменной на его выходе повторяет значение переменной на входе в предыдущем такте.

Синхронные тактируемые триггеры часто выполняют при помощи двух триггеров – главного М и вспомогательного S. При этом такую систему называют MS – триггером.

Дешифраторы предназначены для распознавания кодовых комбинаций и преобразования произвольного кода в код “1” из “n”. Каждому номеру из n выходов однозначно соответствует определенный входной код. Сигнал на этом выходе появляется только в том случае, если входные сигналы составляют определенную кодовую комбинацию.

Счетчики – применяют для подсчета импульсов, поступающих на его вход в унитарном коде. Наиболее распространены двоичные и десятичные счетчики, осуществляющие пересчет импульсов в двоичной и десятичной системах исчисления. Счетчики – типичные последовательные устройства, работающие в счетном режиме.

Сумматоры – применяют для сложения двух многоразрядных двоичных кодов в логической части дискретных устройств автоматики.

Все эти устройства создаются, в основном, на основе триггеров или, в конечном счете, на основе логики элементарного ряда.

Существуют устройства со специальными конструктивными решениями, выполняющие функции триггера и др. (см. “Промышленная электроника”, курс 5 семестра).

107

21 МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ (МУ)

МУ – это статическое электромагнитное устройство, состоящее из сердечника и наложенных на него обмоток, а также включенных в цепи обмоток резисторов и вентильных устройств. МУ широко применяются в точных измерительных небольшой мощности (несколько ватт), в схемах автоматического управления крупными энергетическими установками (сотни тысяч ватт), для управления двигателями постоянного и переменного тока, релейной защиты, сигнализации, сортировки; в вычислительных машинах, автоматах и т.д.

МУ обладают следующими достоинствами:

1 Высокая надежность (нет движущихся частей, не боятся перепадов температур, давления, влажности).

2Практически неограниченный срок службы.

3Немедленная готовность к работе.

4Возможность усиления очень слабых сигналов (10 Вт).

5Возможность питания от сети 50 Гц.

6Простота суммирования большого числа входных сигналов.

7Неограниченная выходная мощность (до сотен тысяч кВт).

8КПД выше, чем у других усилительных устройств.

9Большой коэффициент усиления по мощности (К до 10 ).

10Относительно небольшая инерционность (0,01с) при большом К .

11На высоких частотах (f>400 Гц) меньшие габариты по сравнению с ламповыми усилителями.

12Относительное постоянство характеристик во времени и независимость от температуры окружающей среды (до 10%).

13МУ исключительно устойчивы против режима самовозбуждения.

Вобщем случае, независимо от типа усилителя, принцип усиления состоит в том, что входной сигнал управляет энергией источника питания, мощность которого значительно превосходит мощность усиливаемого сигнала.

Для осуществления усиления необходимо устройство, обладающее нелинейной характеристикой и чувствительное к изменению подводимого сигнала. В МУ таким чувствительным элементом является индуктивность со стальным сердечником. Дроссель переменного тока со стальным сердечником обладает свойством резко менять индуктивность рабочей обмотки при подмагничивании постоянным током. На этом свойстве дросселя переменного тока и основано действие всех современных МУ. Рассмотрим работу простейшего магнитного усилителя, называемого дроссельным, принципиальная схема которого представлена на рисунке 21.1.

На рисунке 21.1а изображен дроссель, питаемый переменным током с

частотой р и подключенный к источнику питания U р через сопротивление нагрузки Rн.

108

При условии Rн<<X р, где X р – индуктивное сопротивление дросселя, в нагрузке потечет ток, значение которого определяется величиной

индуктивного сопротивления дросселя I р=U р/X р. Индуктивное же сопротивление дросселя зависит от уровня постоянного подмагничивания, создаваемого второй обмоткой (управления) - wу, питающейся от источника постоянного тока. Чем больше будет значение постоянного тока, т.е. больше напряженность подмагничивающего поля, тем меньше будет магнитная

где S – сечение сердечника (const);

lст – длина средней силовой линии (const).

Таким образом, с помощью небольших изменений постоянного тока можно управлять значительными изменениями тока в цепи нагрузки.

Однако приведенная схема простейшего дроссельного МУ имеет два существенных недостатка.

Во-первых, переменный ток в нагрузке имеет сильно искаженную форму (см. рисунок 21.1б), т.е. имеют большие нелинейные искажения.

Во-вторых, в обмотке управления индуцируется переменная ЭДС, которая сильно искажает работу МУ в целом. Для ограничения наводок в цепях

управления приходится включать гасящий дроссель Lу большой индуктивности, что приводит к сильному снижению быстродействия усилителя. Можно включать также дополнительное гасящее сопротивление Rу, но это также не всегда приемлемо, т.к. при этом сильно возрастает мощность, затрачиваемая источником управляющего сигнала. Поэтому реальная схема МУ несколько сложнее. Широкое распространение получила схема с раздвоенными сердечниками и раздвоенными обмотками (рисунок 21.2).

Здесь одинаковые секции рабочей обмотки Wр', Wр'', соединены последовательно и согласно, а одинаковые секции управляющей включены последовательно и встречно (точкой обозначены начала обмоток). Такое включение секций обмоток приводит к тому, что переменные ЭДС, наведенные в Wу', Wу'' имеют встречную направленность и суммарная ЭДС в обмотке управления равна нулю. Кроме того, в один полупериод питающего

напряжения U р' и U р'' складывается в одном сердечнике и вычитаются в другом; в следующий полупериод сердечники меняются местами. Таким

образом, в оба полупериода обе рабочие секции Wр' и Wр'' действуют на U р' совершенно одинаково, следовательно обе полуволны рабочего тока будут симметричны, а значит значительно уменьшатся и нелинейные искажения. Из рисунка 21.2 видно, что в любой момент времени в средних частях

магнитопровода магнитные потоки от секций управляющей обмотки Wу

109

направлены в одну сторону, а потоки в разные. Поэтому естественным развитием схем МУ явилось появление схемы на Ш-образном сердечнике с раздвоенной рабочей и объединенной управляющей обмотками (рисунок 21.3). В схеме с напряженным включением обмоток переменного тока (рисунок 21.3)

вкаждой из обмоток постоянного тока индуцируются одинаковые по величине и противоположные по направлению ЭДС, которые взаимно компенсируются. Недостатком схемы является наличие замкнутого контура в рабочей цепи, что резко ухудшает быстродействие усилителей такого типа. Рассмотренные МУ имеют довольно простую конструкцию и поэтому нашли широкое применение

вкачестве мощных усилителей (Рвых>100 кВт). Конструкция МУ определяется типом применяемого сердечника (С,П,Ш,Г,М). В настоящее время широкое применение находят МУ на тороидальных сердечниках, которые более экономичны в изготовлении. Тороидальный сердечник выполняется из тонкой (до 10 мкм) пермаллоевой ленты и помещаются в специальные противоударные каркасы (т.к. от удара пермаллой теряет свои магнитные свойства).

Установившийся режим идеального МУ.

Впредыдущем разделе рассмотрены в основном физические основы работы идеального магнитного усилителя. Однако во многих случаях (особенно для вывода математических соотношений МУ) используют принципы линеаризации или идеализации МУ, облегчающие анализ и получение основных соотношений.

Впервом случае магнитная проницаемость в течение периода питания принимается постоянной, и МУ рассматривают, как линейную управляемую индуктивность, причем реальные несинусоидальные индукции, напряженности, напряжения и токи заменяют эквивалентными синусоидальными, что облегчает методику расчета.

Во втором случае считается, что в идеальном сердечнике МУ нет гистерезиса и рассеяния магнитного поля. Кривая намагничения заменяется тремя отрезками прямых (рисунок 21.4). Для такого сердечника при

амплитудном значении переменной составляющей Вm меньшем значении индукции насыщения Вs и отсутствии постоянной составляющей В0 (от обмотки Wу) требуется бесконечно малое значение напряженности для получения заданного изменения магнитной индукции, т.е. д=dB/dH=0. Это значит, что ток по обмотке не протекает (т.к. Lд= ) хотя к обмотке приложено напряжение U р. Наоборот, при Вm>Вs, д=0, Lд=0 и ток в нагрузке определяется только величиной Rн.

Для МУ с раздвоенными обмотками величину Вm выбирают ниже уровня Вs и поэтому изменение индукции в сердечнике при отсутствии тока управления пойдет по синусоидальному закону (рисунок 21.5,пунктир). При подаче тока управления в сердечнике будет создаваться магнитное поле, направление которого относительно переменного магнитного поля различно в

110

различных сердечниках. При достижении В1 и В2 значений Вs синусоидальное изменение индукции прекращается. Очевидно, что с начала полупериода до

момента насыщения первого сердечника при wt= н все напряжение питания будет приложено к рабочим обмоткам, а остальная часть полупериода к нагрузке. В другой полупериод этот процесс повториться, но сердечники поменяются ролями, т.е. в насыщение будет входить второй сердечник. Таким образом, в интервале управления оба сердечника не насыщены, а в интервале насыщения один насыщен, что приводит к постоянству потока и в другом сердечнике.

Как видно напряжение на нагрузке при н скачком достигает установившегося значения, затем изменяется по синусоидальному закону. Угол

н (угол насыщения) определяется величиной В0, т.е. напряжением управления. Таким образом, рассмотрение работы идеального МУ показывает, что МУ действует не только в виде управляемой индуктивности (как в случае рассмотрения работы реального или лианеризированного МУ), но и как магнитный переключатель, который периодически подключает нагрузку к питания в моменты, фиксированный относительно начала полупериода и определяемые величиной управляющего сигнала.

Нагрузочная характеристика идеального МУ – зависимость тока в нагрузке от тока управления. Iн=f(Iу) определяется условием поочередной

Это, так называемый, трансформаторный закон МУ, который показывает, что ток в нагрузке пропорционален току управления и не зависит для идеального МУ от частоты, напряжения источника питания и величины

сопротивления нагрузки. В трансформаторном законе ток Iу берется по абсолютному значению, т.е. при изменении его направления управляемая индуктивность Xwp не может менять своего знака. Поэтому все выше приведенные схемы МУ являются нереверсивными (нейтральными, однотактными), не чувствительными к знаку Iу. Управление справедливо при

0, т.е. при непрерывном увеличении тока управления ток в нагрузке не может неограниченно возрастать. Из трансформаторного закона легко определить коэффициенты усиления по току KI, напряжению KU и мощности

KP .