?了解電子元件和電路中的磁滯現(xiàn)象

了解電比較器電路、磁性元件和大功率設(shè)備中磁滯的行為及優(yōu)點(diǎn)。

在前面的兩篇文章中，我介紹了磁滯的概念，并詳細(xì)闡述了磁滯系統(tǒng)的輸出如何依賴于輸入的當(dāng)前狀態(tài)和系統(tǒng)的歷史。在這篇文章中，我想探討一些電氣工程應(yīng)用，受益于磁滯。

比較器電路中的磁滯現(xiàn)象

比較器電路可能是電子設(shè)計(jì)中最具象征意義的故意磁滯。顧名思義，比較器是一種比較兩個(gè)輸入信號(hào)并通過其輸出電壓指示兩個(gè)輸入中哪個(gè)電壓較高的裝置。

一個(gè)基本的模擬比較器就是一個(gè)高增益的差分放大器，這就是為什么一個(gè)沒有負(fù)反饋的運(yùn)算放大器可以成為一個(gè)合格的比較器。然而，運(yùn)算放大器并沒有針對(duì)比較器功能進(jìn)行優(yōu)化，所以最好使用真正的比較器IC。

理想的非磁滯比較器只有一個(gè)差分輸入閾值。通常該閾值為0 V，這意味著當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)之間的差值為零時(shí)，輸出將轉(zhuǎn)換。因此，一旦非反相輸入處的電壓上升到反相輸入處的電壓之上，則輸出迅速增加到比較器的正電源電壓；一旦非反相輸入端的電壓低于反相輸入端的電壓，輸出端就轉(zhuǎn)換為負(fù)電源電壓。

這些在紙上看起來都不錯(cuò)，但在實(shí)際電路中，單閾值模型往往不令人滿意。問題（和往常一樣）是噪音。盡管“真實(shí)”（也就是說，無噪聲）輸入信號(hào)僅相互交叉一次，但影響所有實(shí)際信號(hào)的小幅度波動(dòng)可導(dǎo)致多個(gè)輸出轉(zhuǎn)換。

我們可以在圖1中看到這一點(diǎn)，其中藍(lán)色曲線表示比較器非反相輸入處的信號(hào)。黑線表示連接到反向輸入的電壓，用作參考電平。

具有遞減輸入信號(hào)的單閾值比較器電路。

圖1：一種單閾值比較器電路。使用的圖像由All About Circuits提供

當(dāng)藍(lán)色曲線遠(yuǎn)高于參考電平時(shí)，輸出位于或接近正導(dǎo)軌。當(dāng)它遠(yuǎn)低于參考水平，輸出是在或接近負(fù)軌。當(dāng)藍(lán)色曲線接近參考水平時(shí)，故障發(fā)生。由于差分閾值為0 V，因此每次發(fā)生任何類型的交叉時(shí)，輸出都會(huì)轉(zhuǎn)換。此處所需的行為僅為一個(gè)輸出轉(zhuǎn)換，因?yàn)樗{(lán)色信號(hào)的無噪版本只會(huì)導(dǎo)致一個(gè)轉(zhuǎn)換。然而，對(duì)于噪聲，我們得到三個(gè)躍遷。

通過同時(shí)考慮系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)和歷史，可以大大減少虛假躍遷的次數(shù)。實(shí)際上，這類似于圖2：一個(gè)比較器電路，其中磁滯產(chǎn)生兩個(gè)單獨(dú)的閾值，一個(gè)用于增加的輸入信號(hào)，另一個(gè)用于減少的輸入信號(hào)。

一種具有遞增和遞減輸入閾值的磁滯比較器。

圖2：具有遞增輸入閾值（綠線）和遞減輸入閾值（紅線）的磁滯比較器。圖片由All About Circuits和Robert Keim提供

此圖演示了如果將一個(gè)參考電平轉(zhuǎn)換為兩個(gè)單獨(dú)的閾值電平（此處用紅線和綠線表示），如何避免虛假轉(zhuǎn)換。由遞增信號(hào)引起的轉(zhuǎn)換要求輸入跨過綠色閾值，而由遞減信號(hào)引起的轉(zhuǎn)換要求輸入跨過紅色閾值。這只發(fā)生一次（如圖3中的紅色圓圈所示），因此只生成一個(gè)輸出轉(zhuǎn)換。

圖2中的電路，帶有一個(gè)紅色圓圈標(biāo)記輸入轉(zhuǎn)換的位置。

圖3：圖2中的電路，用一個(gè)紅色圓圈標(biāo)記輸入穿過下限閾值的點(diǎn)。圖片由All About Circuits和Robert Keim提供

磁滯是通過向比較器IC添加正反饋來實(shí)現(xiàn)的。我們將在下一篇文章中討論電路設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

磁滯與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

正如我在前一篇文章中所解釋的，磁滯既可以是浪費(fèi)能量的不希望的來源，也可以是抑制噪聲的有益手段。然而，在電子技術(shù)的一般歷史中，更重要的是：磁滯是硬盤驅(qū)動(dòng)器和其他磁存儲(chǔ)介質(zhì)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基本原理。

由鐵磁材料制成的磁存儲(chǔ)介質(zhì)，就磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁通密度而言，鐵磁材料是自然磁滯的。例如，一塊鐵具有類似于圖4的磁滯曲線。

鐵的磁滯曲線。

圖4：鐵的磁滯曲線。使用的圖像由All About Circuits提供

一旦這類材料被磁化，將磁場(chǎng)強(qiáng)度減小到零不會(huì)使磁通密度減小到零。為了消除磁化，你必須施加一個(gè)相反極性的磁場(chǎng)。由于當(dāng)外加磁場(chǎng)失活時(shí)，磁通密度不會(huì)衰減到零，因此在移除功率后，材料可以保留信息。因此，它可以作為非易失性存儲(chǔ)器。

晶閘管的閉鎖特性

我提到過，我們通過創(chuàng)建一條正反饋路徑來給比較器增加磁滯。晶閘管是一種半導(dǎo)體器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含正反饋，從而以閉鎖動(dòng)作的形式顯示磁滯。圖5顯示了一種稱為可控硅整流器（SCR）的晶閘管的物理結(jié)構(gòu)、等效電路和示意圖符號(hào)。

SCR物理圖、等效原理圖和原理圖符號(hào)。

圖5：SCR物理圖、等效原理圖和原理圖符號(hào)。使用的圖像由All About Circuits提供

雙向可控硅是可控硅的雙向版本。如圖6所示，它相當(dāng)于兩個(gè)互連的SCR。

雙向晶閘管等效電路和原理圖符號(hào)。

圖6：雙向晶閘管等效電路和原理圖符號(hào)。使用的圖像由All About Circuits提供

SCR和TRIAC是電控閉鎖開關(guān)。柵極處的信號(hào)使這些器件導(dǎo)通電流，并且在移除柵極信號(hào)后，它們繼續(xù)導(dǎo)通電流。當(dāng)流經(jīng)該器件的電流低于稱為保持電流的閾值時(shí)，該器件退出鎖定狀態(tài)。

這種滯回特性在各種高功率應(yīng)用中都很有價(jià)值。例如，雙向晶閘管在交流應(yīng)用中特別有用，因?yàn)榻涣鲬?yīng)用必須調(diào)整傳送到負(fù)載調(diào)光器電路的平均功率。

下一篇

我們已經(jīng)看了三個(gè)例子磁滯作為設(shè)計(jì)和改進(jìn)電子電路的工具。這些例子為我們提供了一個(gè)全面的概念，即磁滯提供的好處，它可以使系統(tǒng)對(duì)噪聲更加魯棒，便于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并簡(jiǎn)化大功率和交流系統(tǒng)中的控制任務(wù)。我將在下一篇文章中總結(jié)這一系列關(guān)于磁滯的內(nèi)容，這篇文章將使用LTspice來模擬探索比較器電路中的磁滯。