2. Электромеханические и магнитные усилители

Электромеханические усилители выполняют в виде электромашинных усилителей (ЭМУ) или электромагнитных реле.

Электромашинные усилители – специальные электрические генераторы постоянного тока, выходная мощность которых регулируется путем изменения мощности управления. Конструктивно электромашинные усилители выполняют в виде установки, в корпусе которой располагаются асинхронный электродвигатель и генератор.

Электромашинные усилители допускают значительные форсировки по току и по напряжению, имеют малую мощность управления и хорошее быстродействие.

Однако электромашинные усилители имеют невысокую надежность из-за наличия подвижных контактов между щетками и коллектором, создают большие помехи для работы радиоаппаратуры, имеют относительно большие размеры и массу.

Рис. 13. Схемы магнитных усилителей дроссельного типа:

а – простейшего, б – на двух магнитопроводах, в – на одном Ш-образном магнитопроводе

В электромагнитных реле получаемый управляющий сигнал подают на катушку, в результате чего замыкаются контакты, способные пропускать ток большей мощности. Усилители подобного типа позволяют увеличивать энергию входного сигнала в 1000 раз, существенно упростить схему управления и повысить ее стабильность по отношению к изменениям температуры окружающей среды. Они получили широкое распространение в системах автоматического регулирования (стабилизации) температуры термических и плавильных печей.

Магнитные усилители представляют собой электромагнитное устройство, в котором связь выхода и входа осуществляется через магнитное поле. В основу принципа его действия положена нелинейная зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от напряженности постоянного подмагничивающего поля, созданного или изменяемого входным сигналом.

Магнитные усилители подразделяют на простые и с самонасыщением. У первых по рабочим обмоткам протекает только переменный ток, а в усилителях второй группы по рабочим обмоткам протекает ток, содержащий постоянную составляющую.

Основными параметрами магнитных усилителей являются характеристики управления, т. е. взаимосвязь между установившимися значениями входной и выходной величин, например между рабочим током нагрузки и током управления.

Простейший магнитный усилитель – усилитель дроссельного типа (рис. 13, а). Он представляет собой катушку индуктивности 1 с ферромагнитным магнитопроводом 2 и дополнительной управляющей обмоткой 3. Нагрузка усилителя R_н включена последовательно с рабочей обмоткой, питание которой осуществляется переменным током U₀.

При изменении входного напряжения U_вх будет изменяться подмагничивающее постоянное поле и магнитная проницаемость  ферромагнитного магнитопровода, а следовательно, и индуктивность рабочей обмотки. В результате будет меняться ток выходной цепи.

Таким образом, устройство магнитных усилителей основано на использовании непостоянства магнитной проницаемости ферромагнетика, т. е. нелинейности индуктивного сопротивления дросселя.

Входное напряжение U_вх может меняться не только по амплитуде, но и по знаку. Необходимо лишь, чтобы частота входного напряжения была значительно (в 5–10 раз) меньше частоты источника питания U₀. Тогда интенсивность входного сигнала будет определять амплитуду тока в цепи нагрузки и изменение входного сигнала во времени будет соответствовать изменению огибающих этих амплитуд. Таким образом, магнитный усилитель одновременно является модулятором, преобразующим сколь угодно медленно меняющееся напряжение на входе в изменения огибающих выходного напряжения.

Рассмотренная простейшая схема дроссельного магнитного усилителя практически не применяется, так как переменный ток, протекающий по рабочей обмотке, наводит ЭДС в управляющей обмотке. Наведенный ток попадает в цепь датчика сигнала и искажает его характеристику.

Отмеченный недостаток устраняется, если применить схему (рис. 13, б) с двумя магнитно не связанными между собой дросселями, обмотки которых соединены так, как показано на рисунке. Если входная обмотка 3 намагничивает оба магнитопровода в одном направлении, то выходная обмотка – в разных. Благодаря этому взаимно компенсируются ЭДС, наведенные во входных обмотках.

Трехстержневая схема магнитопровода приведена на рис. 13, в. В этом случае во входной обмотке также не будет наводиться ЭДС трансформации, так как соответствующие составляющие переменного потока взаимно уничтожаются и будут отсутствовать в среднем стержне. Рассмотренная схема находит применение благодаря удобству изготовления и возможности размещения большого числа витков.

С повышением частоты источника питания размеры магнитных усилителей уменьшаются, но одновременно растут потери в ферромагнетике и увеличивается магнитный поверхностный эффект.

В целом магнитные усилители являются надежными элементами автоматики, к достоинствам которых следует отнести высокую прочность при практически неограниченном сроке службы, а также в отличие от электронных ламповых усилителей мгновенную готовность к действию. Удобно и суммирование сигналов в магнитном усилителе, для этого достаточно иметь соответствующее число входных обмоток. Магнитные усилители нечувствительны к радиоактивным излучениям. Недостатки магнитных усилителей – сравнительно большая масса и значительная инерционность, обусловленная заметным количеством энергии, запасаемой в магнитном поле дросселя.