Магнитный усилитель: принцип работы и применение.

Введение

Тип параметрического усилителя.

Магнитный усилитель (в разговорной речи известный как "маг-усилитель") – это электромагнитное устройство для усиления электрических сигналов. Магнитный усилитель был изобретен в начале XX века и использовался как альтернатива вакуумным ламповым усилителям там, где требовалась надежность и большая пропускная способность по току. Германия во время Второй мировой войны усовершенствовала этот тип усилителя, и он применялся в ракете V-2. Магнитный усилитель был наиболее широко распространен в системах управления мощностью и в приложениях с низкочастотными сигналами с 1947 по примерно 1957 год, когда транзистор начал вытеснять его. В настоящее время магнитный усилитель в значительной степени заменен усилителями на транзисторах, за исключением нескольких областей, где критически важна безопасность, высокая надежность или предъявляются экстремальные требования. Комбинации транзисторных и магнитных усилительных технологий по-прежнему используются.

Принцип действия

Визуально устройство магнитного усилителя может напоминать трансформатор, но принцип его работы существенно отличается от принципа работы трансформатора – по сути, магнитный усилитель является насыщаемым реактором. Он использует магнитное насыщение сердечника, нелинейное свойство определённого класса трансформаторных сердечников. Для обеспечения контролируемых характеристик насыщения в магнитном усилителе используются материалы сердечника, разработанные для получения специфической формы Б-Н кривой, близкой к прямоугольной, в отличие от плавно спадающей Б-Н кривой мягко намагничивающихся материалов, часто используемых в обычных трансформаторах. Типичный магнитный усилитель состоит из двух физически раздельных, но схожих трансформаторных магнитных сердечников, каждый из которых имеет две обмотки: управляющую и обмотку переменного тока. Другая распространенная конструкция использует один сердечник в форме цифры "8" с одной управляющей обмоткой и двумя обмотками переменного тока, как показано на фотографии выше. Небольшой постоянный ток от источника с низким импедансом подается в управляющую обмотку. Обмотки переменного тока могут быть соединены последовательно или параллельно, что приводит к различным типам магнитных усилителей. Величина управляющего тока, подаваемого в управляющую обмотку, определяет точку на форме сигнала обмотки переменного тока, в которой происходит насыщение сердечника. При насыщении обмотка переменного тока на насыщенном сердечнике переходит из состояния высокого сопротивления ("выключено") в состояние очень низкого сопротивления ("включено") – то есть, управляющий ток контролирует точку включения магнитного усилителя по напряжению. Относительно небольшой постоянный ток в управляющей обмотке способен управлять или переключать большие переменные токи в обмотках переменного тока. Это приводит к усилению тока. Два магнитных сердечника используются, поскольку переменный ток будет генерировать высокое напряжение в управляющих обмотках. Соединяя их в противофазе, они взаимно компенсируют друг друга, предотвращая возникновение тока в управляющей цепи. Альтернативная конструкция с сердечником в форме "8", показанная выше, достигает той же цели магнитным путем.

Сильные стороны

Магнитный усилитель – это статическое устройство, не имеющее движущихся частей. Он не подвержен износу и обладает высокой устойчивостью к механическим ударам и вибрации. Ему не требуется время на прогрев. Благодаря этому магнитному усилителю нашли применение в ядерной энергетике.

Ограничения

Усиление, доступное от одной ступени, ограничено и невелико по сравнению с электронными усилителями. Частотная характеристика усилителя с высоким коэффициентом усиления ограничена примерно одной десятой частоты возбуждения, хотя это часто смягчается использованием магнитных усилителей с токами возбуждения на частотах выше рабочей. Магнитный усилитель использовался в качестве модулятора голоса для 2-киловаттного генератора Александерсона, а магнитные усилители применялись в ключевых схемах больших высокочастотных генераторов, используемых для радиосвязи. Магнитные усилители также использовались для регулирования скорости генераторов Александерсона с целью поддержания точности передаваемой радиочастоты, а также в системах управления освещением. Полупроводниковые твердотельные переключатели в значительной степени вытеснили их, однако в последнее время наблюдается некоторый возросший интерес к использованию магнитных усилителей в компактных и надежных импульсных источниках питания. В блоках питания PC ATX часто используются магнитные усилители для регулирования напряжения на вторичной стороне. Ядра, разработанные специально для импульсных источников питания, в настоящее время производятся несколькими крупными электромагнитными компаниями, включая Metglas и Mag Inc. Магнитные усилители использовались в локомотивах для обнаружения проскальзывания колес, пока не были заменены датчиками тока на эффекте Холла. Кабели от двух тяговых двигателей проходили через сердечник устройства. При нормальной работе результирующий поток был равен нулю, поскольку оба тока были одинаковы по величине и противоположны по направлению. Токи отличались при проскальзывании колес, создавая результирующий поток, который действовал как управляющая обмотка, развивая напряжение на резисторе, включенном последовательно с обмоткой переменного тока, которое передавалось в схемы коррекции проскальзывания. Магнитные усилители могут использоваться для измерения высоких напряжений постоянного тока без прямого подключения к высоковольтной цепи и поэтому до сих пор применяются в технике HVDC. Измеряемый ток пропускается через два сердечника, возможно, с помощью массивной шины. Падение напряжения на этой шине практически отсутствует. Выходной сигнал, пропорциональный ампер-виткам в управляющей токовой шине, получается из переменного напряжения возбуждения магнитного усилителя; на шине не создается и не индуцируется напряжение. Выходной сигнал имеет только магнитную связь с шиной, поэтому шина может быть, с полной безопасностью, под любым (сверхвысоким) напряжением относительно измерительной аппаратуры. Магнитные усилители часто используются на космических аппаратах, где требуется чистая электромагнитная обстановка. Немецкий военно-морской флот широко использовал магнитные усилители. Они применялись в системах главных стабилизирующих элементов, в медленной передаче для управления орудиями, директорами и дальномерами, а также в системах управления тангажом и углом возвышения. Магнитные усилители использовались в авиационных системах (авионике) до появления высоконадежных полупроводников. Они были важны при реализации ранних систем автоматической посадки, а Concorde использовал эту технологию для управления входами воздуха в двигатели до разработки системы на основе цифровой электроники. Магнитные усилители использовались в системах стабилизации ракет V2.

The gain available from a single stage is limited and low compared to electronic amplifiers. Frequency response of a high gain amplifier is limited to about one tenth the excitation frequency, although this is often mitigated by exciting magnetic amplifiers with currents at higher than utility frequency. A magnetic amplifier was used as voice modulator for a 2 kilowatt Alexanderson alternator, and magnetic amplifiers were used in the keying circuits of large high frequency alternators used for radio communications. Magnetic amplifiers were also used to regulate the speed of Alexanderson alternators to maintain the accuracy of the transmitted radio frequency. as well as in lighting control. Semiconductor based solid state switches have largely superseded them, though recently there has been some regained interest in using mag amps in compact and reliable switching power supplies. PC ATX power supplies often use mag amps for secondary side voltage regulation. Cores designed specifically for switch mode power supplies are currently manufactured by several large electromagnetics companies, including Metglas and Mag Inc. Magnetic amplifiers were used by locomotives to detect wheel slip, until replaced by Hall Effect current transducers. The cables from two traction motors passed through the core of the device. During normal operation the resultant flux was zero as both currents were the same and in opposite directions. The currents would differ during wheel slip, producing a resultant flux that acted as the Control winding, developing a voltage across a resistor in series with the AC winding which was sent to the wheel slip correction circuits. Magnetic amplifiers can be used for measuring high DC voltages without direct connection to the high voltage and are therefore still used in the HVDC technique. The current to be measured is passed through the two cores, possibly by a solid bus bar. There is almost no voltage drop in this bus bar. The output signal, proportional to the ampere turns in the control current bus bar, is derived from the alternating excitation voltage of the magnetic amplifier, there is no voltage created or induced on the bus bar. The output signal has only a magnetic connection with the bus bar so the bus may be, quite safely, at any (EHT) voltage with respect to the instrumentation. Instrumentation magnetic amplifiers are commonly found on space craft where a clean electromagnetic environment is highly desirable. The German Kriegsmarine made extensive use of the magnetic amplifiers. They were used for the master stable element systems, for slow moving transmission for controlling guns, directors and rangefinders and train and elevation controls. Magnetic amplifiers were used in aircraft systems (avionics) before the advent of high reliability semiconductors. They were important in implementing early autoland systems and Concorde made use of the technology for the control of its engine air intakes before development of a system using digital electronics. Magnetic amplifiers were used in stabilizer controls of V2 rockets.

Использование в вычислительной технике

Магнитные усилители широко изучались в 1950-х годах как потенциальный переключающий элемент для больших ЭВМ. Как и транзисторы, магнитные усилители были несколько меньше типичной вакуумной лампы и имели существенное преимущество: они не перегорали, что значительно снижало требования к обслуживанию. Другим преимуществом было то, что один магнитный усилитель мог суммировать несколько входных сигналов в одном сердечнике, что было полезно в арифметико-логическом устройстве (АЛУ), поскольку позволяло значительно уменьшить количество компонентов. Специально разработанные лампы могли делать то же самое, но транзисторы – нет, поэтому магнитные усилители объединяли преимущества ламп и транзисторов в эпоху, когда последние были дорогими и ненадежными. Принципы магнитных усилителей применялись нелинейно для создания магнитных цифровых логических элементов. Эта эпоха была недолгой, продлившись с середины 1950-х до примерно 1960 года, когда новые технологии производства значительно улучшили транзисторы и снизили их стоимость. В производство была запущена только одна крупномасштабная машина на магнитных усилителях – UNIVAC Solid State, но ряд компьютеров конца 1950-х – начала 1960-х годов использовали эту технологию, например Ferranti Sirius, Ferranti Orion, English Electric KDF9 или MAGSTEC.

Раннее развитие

Источник напряжения и последовательно соединенный переменный резистор можно рассматривать как источник сигнала постоянного тока для низкоомной нагрузки, такой как управляющая обмотка насыщаемого реактора, который усиливает сигнал. Таким образом, насыщаемый реактор по сути является усилителем, хотя до XX века они использовались для простых задач, таких как управление освещением и электрооборудованием, еще в 1885 году. В 1904 году пионер радио Реджинальд Фессенден разместил заказ в компании General Electric на высокочастотный роторный механический генератор, способный генерировать переменный ток с частотой 100 кГц для передачи радиосигналов непрерывной волной на большие расстояния. Разработкой генератора было поручено инженеру General Electric Эрнсту Ф. Александерсону, который создал 2-киловаттный генератор Александерсона. К 1916 году Александерсон добавил магнитный усилитель для управления передачей этих роторных генераторов в целях трансокеанской радиосвязи. Экспериментальные демонстрации телеграфии и телефонии, проведенные в 1917 году, привлекли внимание правительства США, особенно в связи с частичными перебоями в работе трансатлантического подводного кабеля. 50-киловаттный генератор был реквизирован ВМС США и введен в эксплуатацию в январе 1918 года и использовался до 1920 года, когда был построен и установлен 200-киловаттный генератор.

Использование в производстве электроэнергии

Магнитные усилители широко использовались в производстве электроэнергии начиная с начала 1960-х годов. Они обеспечивали усиление слабого сигнала для автоматического регулятора напряжения генератора (AVR), преобразуя небольшой сигнальный сигнал уровня милливатт (mW) в сигнал уровня 100 киловатт (kW). Этот сигнал, в свою очередь, преобразовывался вращающейся машиной (возбудителем) до уровня 5 мегаватт (МВт), что соответствовало мощности возбуждения, необходимой типичному турбогенератору мощностью 500 МВт. Они доказали свою долговечность и надежность. Многие из них оставались в эксплуатации до середины 1990-х годов, а некоторые до сих пор используются на старых электростанциях, особенно на гидроэлектростанциях, расположенных в северной Калифорнии.

Неправильное использование

В 1970-х годах Роберт Карвер разработал и изготовил несколько высококачественных мощных звуковых усилителей, назвав их магнитными усилителями. На самом деле, по большинству параметров это были обычные схемы звуковых усилителей с необычными схемами питания. Они не являлись магнитными усилителями в том смысле, в котором они определены в этой статье. Их не следует путать с настоящими магнитными звуковыми усилителями, которые также существуют.