磁放大器的特点与工作原理

2018-12-22 15:42

磁放大器的特点与工作原理

可靠的放大器件
目前，磁放大器在自动控制、自动调整和遥控技术中，都得到了广泛的应用。例如，它可以用在电压、转速、温度、压力等的调节器里，用在机床和各种机器的自动监测系流里，可以用来放大传感器产生的温差电势、光电电流以及其他微弱信号。宇宙火箭的控制和遥测，也广泛地利用了磁放大器。这是由于和电子管放大器比较起来，磁放大器具有很多显著的优点。磁放大器是由磁心和线圈构成的。由于它不用电子管（也就没有炽热的阴极、易碎的玻璃泡、高度的真空和精致的结构）因此它非常坚固，可靠性高，寿命很长，不怕震动和颠簸，能够容许相当大的过负荷等等。磁放大器的这些优点，在具有成千上万个电子器件的复杂设备中特别显著。设想在某个复杂的自动装置中有10000个电子管，而电子管的寿命最多只有约2000小时。这样，在长期工作中，平均说来，每一小时就可能有五个电子管损坏。或者说，机器平均每工作12分钟，就可能要停下来换一个新电子管。这真是难以容许的事情。因此，在自动控制装置中，用坚固可靠的磁放大器来代替“脆弱的”电子管，便是十分自然的事了。事情还不仅如此。大家知道，电子管虽然能很好地放大音频和高频电流，但是在几赫以下的低频范围，它的工作就很差。要用电子管放大变化极其缓慢的电流，或者说放大“直流”，那就十分困难了。磁放大器最适于放大缓变电流，而在自动装置系统里，又大都是需要放大直流或较低频率的电流。因此在这些设备中，磁放大器就排挤了电子管放大器。磁放大器的另一个优点是稳定度高。当电源电压在额定值的±30％的范围内变动时，磁放大器仍然能够稳定地工作。它的灵敏度也很高，可以测量出零点零几微安的电流，放大弱到10－19—10-17瓦的直流信号。一级磁放大器的放大系数可以高达一百万倍！磁放大器的主要缺点是惰性较大，不宜放大高频电流。即使放大音频电流，问题也比较复杂。但是，最近由于不断研制新的高质量磁合金和采用新的线路，磁波大器的应用也正在向音频和更高的频率范围扩展。

磁放大器的工作原理
磁放大器是利用电路中线圈的电感量的变化来控制负载电流的。为了说明这个道理，我们先来看一下图1，a的电路。在这个电路中，把负载RL和带有铁心的电感线圈L1串联起来接到交流电源ua上。用电流表A指示电路中的电流。有铁心的线圈的电感量较大，因此对交流的感抗很大，使整个电路中的电流（I1）较小，负载RL中得到的功率也小。

如果突然把铁心从线圈中抽出去，如图1，b所示。这样，线圈的电感量就急剧减小到L2。它的感抗突然减小，就使电路中的电流突然增加（由I1增加到I2），因而在负载RL中得到了很大的功率。用手抽掉铁心时所花费的功率只相当于几个瓦，但却能使负载RL增加好几千瓦的功率。由此可见，图1这个简单的装置就是一个磁放大器。实际的磁放大器当然木是用手去移动铁心，从而使电感量发生变化。它是用改变铁心磁化程度的办法来改变电感量，从而控制负载电流的。

大家知道，铁心的磁通量密度（磁感应强度）B并不和产生这个磁通量的磁提强度H成正比。如图2中的曲线B所示，当磁场强度H从零开始增加时，B一开始增加得很快，随后就增加得较慢，最后，当磁通量达到饱和时，即使再增加磁场强度H，磁通量密度B也不会再增加。我们把B和H的比值叫做导磁率，用μ来表示。写成公式就是μ=B/H。既然在H均匀增加时，相应的B值的增加越来越小，所以μ=B/H这一比值就随着H的增加而逐渐减小，如图2中的μ曲线所示。铁心上绕的电感线圈，它的电感L和铁心的导磁率μ有密切的关系。μ越大，电感L就越大；μ减小，电感L也就减小。由此可见，改变铁心的磁化强度，或者说改变H，就可以控制电感量L。

在前述电感线圈L的铁心上另外绕一个线圈，用来控制铁心的磁化强度（改变H），就构成了一个简单的磁放大器（图3）。这个新加的线圈（Wc）叫做控制线圈，相应的电路叫做控制电路，在控制电路中加入我们所要放大的电压信号（uc）。接在负载电路中的、电感量受控制而变化的线圈叫做工作线圈（Wa），相应的电路叫做工作电路或负载电路。在工作电路中必须接交流电源ua。在控制电路中接一个扼流圈，是为了防止工作电路中的交流电流感应到控制电路中来，破坏磁放大器的正常工作。但是对于直流或缓慢变化地交流信号（uc）来说，扼流圈所呈现的阻抗则很小。当控制电路中的电流很小时，磁场强度H也很小，而铁心的导磁率μ就很大。因此，工作线圈Wa的电感L很大，工作电路中的电流就很小。但是只要稍微增大控制电路中的电流，铁心导磁率μ就急剧减小，工作电路的电流就急剧增大，负载RL上的电压和得到的功率也急剧增加。这样就把输入信号（uc）放大了许多倍。如果把磁放大器和电子管放大器比较一下，就可以发现它们有某些类似的地方。磁放大器的控制线圈起着电子管控制栅极的作用，控制着负载中的电流。但是，应当注意到，电子管中的屏极电源是直流电源。当没有信号时，电子管的展流是直流；当加了控制信号时，屏流的大小随着控制信号而变化，可以直接得到放大了的信号电流。磁放大器工作电路中的电源是交流电源。即使没有外加信号，工作电路和负载中通过的也都是交流电流，它的频率和工作电路中电源ua的频率一样。当控制电路中没有直流电流时，负载中的交流电流幅度很小，当控制电路上通过直流电流时，负载中的交流电流幅度增大。当控制电路中加上缓慢变化的信号uc时，磁放大器的负载电流iL就是幅度随控制信号缓慢变化的交流电流，如图4所示。换句话说，负载电流iL就是经过信号调幅的“高频”电流。这里所谓“高频”，实际上就是工作电路中交流电源ua的频率。

在自动控制技术中，常常使用一些能对交流电流的幅度变化起反应的元件，例如交流继电器。如果把交流继电器作为磁放大器的负载（RL），那么，当控制电流增大到某一预定的数值时，工作电路中的交流电流幅度就会增大到使交流继电器动作，吸动衔铁，把要控制的设备接通。但是，有时也需要在负载中得到和输入信号形状相同的放大信号，这时就需要在负载电路中接一个检波器，把信号从已调幅高频电流中检出来。道理和收音机中检波器的工作是一样的。和采用调幅的普通无线电设备一样，磁放大器在放大交变信号时，其电源频率（载波频率）应为被放大信号最高频率的5～10倍。

几种磁放大器电路
在各种控制设备中，常常采用双环形铁心的磁放大器，如图5所示。这里两个工作线圈是按相同方向串联起来，而两个控制线圈却是方向相反地串联在一起。这样，两个工作线圈中的交流电流分别在两个控制线圈中感应的电动势，在控制电路中刚好是方向相反，因而不会在控制电路中产生出交流电流。这样，在控制电路中就不需要再用扼流圈了。此外，磁放大器中采用双铁心，可以使工作线圈电流随控制电路信号的变化更接近于线性关系，并且还能提高磁放大器的灵敏度。

磁放大器也可以采用Ш形铁心，如图6所示。这里工作线圈Wa（交流线圈）是绕在两边心柱上，绕向也相反，因此铁心中由于工作电路交流电流而产生的交变磁通，只通过两边的心柱，而不进入绕有控制线圈Wc的中间心柱。这样，控制线圈里便不会感生出交流电动势，因此控制电路中就不需要再用扼流圈了。5～10瓦以上的大功率磁放大器的铁心，多采用制造普通变压器的硅钢片迭制而成。功率较小的磁放大器，利用坡莫合金作铁心，可以得到很高的灵敏度。但是坡莫合金只能在很低的频率上应用。在较高的频率上，就需要用铁淦氧（铁氧体）来作铁心。

下面我们举出带有检波器的磁放大器电路的两个例子（见图7）。图7，a是桥式检波电路。D1、D2、D3、D4是硒整流器或氧化铜整流器。在电源电压的正半周，电流经工作线圈、D1、RL、D4流回电源。在电源电压的负半周，电流经D2、RL、D3、工作路圈流回电源。和普通收音机中检波器的情况一样，流过负载RL的是单方向的脉动电流，它的平均分量的数值和输入控制信号的大小成正比。在图7，b的电路中，由于采用了变压器，所以可以少用两个整流器。在电源电压的正半周，电流流经变压器初级圈的上半部（自下而上）及整流器D1；在负半周，电流经过D2后，再流经初级圈的下半部，其方向仍然是自下而上。因此，在负载电阻RL中，同样也是流过单方向的脉动电流。和电子管的情况相似，磁放大器中也可以采用附加的偏磁线圈，使铁心中建立一定的起始磁化，以选定合适的工作点。也可以采用反馈线圈，引入适当的反馈，以改善磁极大器的特性，特别是可以减小磁放大器的惰性，以提高它的运用频率。最后，也可以利用几个磁放大器组成多级放大器，得到更高的放大率。