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。

在前面的兩篇文章中，我介紹了磁滯的概念，并詳細闡述了磁滯系統(tǒng)的輸出如何依賴于輸入的當前狀態(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輸入信號并通過其輸出電壓指示兩個輸入中哪個電壓較高的裝置。

一個基本的模擬比較器就是一個高增益的差分放大器，這就是為什么一個沒有負反饋的運算放大器可以成為一個合格的比較器。然而，運算放大器并沒有針對比較器功能進行優(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差分輸入閾值。通常該閾值為0 V，這意味著當兩個輸入信號之間的差值為零時，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)換為負電源電壓。

這些在紙上看起來都不錯，但在實際電路中，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”（也就是說，無噪聲）輸入信號僅相互交叉一次，但影響所有實際信號的小幅度波動可導致多個輸出轉(zhuǎn)換。

我們可以在圖1中看到這一點，其中藍色曲線表示比較器非反相輸入處的信號。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

當藍色曲線遠高于參考電平時，輸出位于或接近正導軌。當它遠低于參考水平，輸出是在或接近負軌。當藍色曲線接近參考水平時，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，輸出都會轉(zhuǎn)換。此處所需的行為僅為一個輸出轉(zhuǎn)換，因為藍色信號的無噪版本只會導致一個轉(zhuǎn)換。然而，對于噪聲，我們得到三個躍遷。

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

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參考電平轉(zhuǎn)換為兩個單獨的閾值電平（此處用紅線和綠線表示），如何避免虛假轉(zhuǎn)換。由遞增信號引起的轉(zhuǎn)換要求輸入跨過綠色閾值，而由遞減信號引起的轉(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），因此只生成一個輸出轉(zhuǎn)換。

圖2中的電路，帶有一個紅色圓圈標記輸入轉(zhuǎn)換的位置。

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

磁滯是通過向比較器IC添加正反饋來實現(xiàn)的。我們將在下一篇文章中討論電路設(shè)計細節(jié)。

磁滯與數(shù)據(jù)存儲

正如我在前一篇文章中所解釋的，磁滯既可以是浪費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)動器和其他磁存儲介質(zhì)中數(shù)據(jù)存儲的基本原理。

由鐵磁材料制成的磁存儲介質(zhì)，就磁場強度和磁通密度而言，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，將磁場強度減小到零不會使磁通密度減小到零。為了消除磁化，你必須施加一個相反極性的磁場。由于當外加磁場失活時，磁通密度不會衰減到零，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。晶閘管是一種半導體器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含正反饋，從而以閉鎖動作的形式顯示磁滯。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。

SCR物理圖、等效原理圖和原理圖符號。

圖5：SCR物理圖、等效原理圖和原理圖符號。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，它相當于兩個互連的SCR。

雙向晶閘管等效電路和原理圖符號。

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

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

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

我們已經(jīng)看了三個例子磁滯作為設(shè)計和改進電子電路的工具。這些例子為我們提供了一個全面的概念，即磁滯提供的好處，它可以使系統(tǒng)對噪聲更加魯棒，便于數(shù)據(jù)存儲，并簡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。