Войти
 Небольшой магнитный усилитель мощностью 250 Вт, рассчитанный на работу от 120 В переменного тока, 60 Гц. Обмотка управления - это большая центральная обмотка. |
Магнитный усилитель (просторечие известный как «МАГ усилитель») представляет собой электромагнитное устройство для усиления электрических сигналов. Магнитный усилитель был изобретен в начале 20 века и использовался в качестве альтернативы ламповым усилителям, где требовались надежность и высокая токовая нагрузка. Во время Второй мировой войны Германия усовершенствовала этот тип усилителя, и он использовался в ракете Фау-2. Магнитный усилитель был наиболее заметным в приложениях управления мощностью и низкочастотных сигналов с 1947 по 1957 год, когда его начали вытеснять транзисторы. Магнитный усилитель в настоящее время в значительной степени вытеснен усилителем на основе транзисторов, за исключением нескольких критически важных для безопасности, высоконадежных или чрезвычайно требовательных приложений. По-прежнему используются комбинации транзисторных и магнитоусилительных технологий.
Насыщаемый реактор, иллюстрирующий принцип магнитного усилителя. Визуально магнито-усилитель может напоминать трансформатор, но принцип работы сильно отличается от трансформатора - по сути, магнито-усилитель представляет собой насыщаемый реактор. Он использует магнитное насыщение сердечника, нелинейное свойство определенного класса сердечников трансформатора. Для контролируемых характеристик насыщения в магнитном усилителе используются материалы сердечника, которые были спроектированы так, чтобы иметь определенную форму кривой BH, которая является сильно прямоугольной, в отличие от медленно сужающейся кривой BH для мягко насыщающихся материалов сердечника, которые часто используются в обычных трансформаторах.
Типичный магнитный усилитель состоит из двух физически отдельных, но похожих магнитопроводов трансформатора, каждый из которых имеет две обмотки: обмотку управления и обмотку переменного тока. В другой распространенной конструкции используется 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 сопротивлением подается в обмотку управления. Обмотки переменного тока могут быть подключены последовательно или параллельно, в результате чего получаются разные типы магнитных усилителей. Величина управляющего тока, подаваемого в управляющую обмотку, устанавливает точку в форме сигнала обмотки переменного тока, при которой любой из сердечников будет насыщаться. В режиме насыщения обмотка переменного тока насыщенного сердечника перейдет из состояния с высоким импедансом («выключено») в состояние с очень низким импедансом («включено»), то есть управляющий ток контролирует точку, в которой напряжение магнита. усилитель включается.
Относительно небольшой постоянный ток в обмотке управления может управлять или коммутировать большие переменные токи в обмотках переменного тока. Это приводит к усилению тока.
Используются два магнитопровода, поскольку переменный ток создает высокое напряжение в обмотках управления. Соединяя их в противофазе, они компенсируют друг друга, так что в цепи управления не возникает тока. Показанная выше альтернативная конструкция с сердечником в форме «8» решает ту же задачу в магнитном отношении.
Магнитный усилитель представляет собой статическое устройство без движущихся частей. Он не имеет механизма износа и имеет хорошую устойчивость к механическим ударам и вибрации. Не требует времени на прогрев. Множественные изолированные сигналы могут суммироваться дополнительными управляющими обмотками на магнитопроводах. Обмотки магнитного усилителя более устойчивы к кратковременным перегрузкам, чем аналогичные твердотельные устройства. Магнитный усилитель также используется в качестве преобразователя в таких приложениях, как измерение тока и магнитный компас. Активные зоны реакторов магнитных усилителей чрезвычайно хорошо выдерживают нейтронное излучение. По этой особой причине в ядерной энергетике используются магнитные усилители.
Коэффициент усиления, доступный от одного каскада, ограничен и невелик по сравнению с электронными усилителями. Частотная характеристика усилителя с высоким коэффициентом усиления ограничена примерно одной десятой частоты возбуждения, хотя это часто смягчается возбуждением магнитных усилителей токами, превышающими рабочую частоту. Твердотельные электронные усилители могут быть более компактными и эффективными, чем магнитные усилители. Обмотки смещения и обратной связи не являются односторонними и могут передавать энергию из управляемой схемы в схему управления. Это усложняет конструкцию многокаскадных усилителей по сравнению с электронными устройствами.
Форма выходного сигнала магнитного усилителя (фиолетовый) при насыщении около 50%. Вход (желтый) - 120 В переменного тока, 60 Гц. 
Частотный спектр формы выходного сигнала магнитного усилителя Магнитные усилители вносят существенные гармонические искажения в форму выходного сигнала, полностью состоящую из нечетных гармоник. В отличие от кремниевых управляемых выпрямителей или заменивших их симисторов, величина этих гармоник быстро уменьшается с увеличением частоты, поэтому помехи для расположенных поблизости электронных устройств, таких как радиоприемники, возникают редко.
Магнитные усилители сыграли важную роль в качестве усилителей модуляции и управления на раннем этапе развития передачи голоса по радио. Магнитный усилитель использовался в качестве речевого модулятора для генератора переменного тока Alexanderson мощностью 2 киловатта, а магнитные усилители использовались в схемах переключения больших высокочастотных генераторов переменного тока, используемых для радиосвязи. Магнитные усилители также использовались для регулирования скорости генераторов Alexanderson для поддержания точности передаваемой радиочастоты. Магнитные усилители использовались для управления большими мощными генераторами переменного тока путем их включения и выключения для телеграфии или для изменения сигнала для модуляции голоса. Пределы частоты генератора переменного тока были довольно низкими, поэтому для генерации более высоких радиочастот, чем генератор переменного тока, приходилось использовать умножитель частоты. Даже в этом случае первые магнитные усилители с сердечниками из порошкового железа были неспособны генерировать радиочастоты выше примерно 200 кГц. Другие материалы сердечника, такие как ферритовые сердечники и маслонаполненные трансформаторы, должны быть разработаны, чтобы усилитель мог выдавать более высокие частоты.
Возможность управления большими токами с малой мощностью управления сделала магнитные усилители полезными для управления цепями освещения, для сценического освещения и для рекламных вывесок. Усилители с насыщающимся реактором использовались для регулирования мощности промышленных печей. Магнитные усилители в качестве регуляторов переменного напряжения в основном были заменены кремниевыми выпрямителями или симисторными преобразователями. Магнитные усилители все еще используются в некоторых аппаратах для дуговой сварки.
Небольшие магнитные усилители использовались для радионастройки индикаторов, управления малым двигателем и скоростью вращения вентилятора охлаждения, управления зарядными устройствами.
Магнитные усилители широко использовались в качестве переключающего элемента в источниках питания с ранним переключением ( SMPS ), а также при управлении освещением. Твердотельные переключатели на основе полупроводников в значительной степени вытеснили их, хотя в последнее время наблюдается возрождение интереса к использованию магнитных усилителей в компактных и надежных импульсных источниках питания. Источники питания PC ATX часто используют усилители мощности для регулирования напряжения вторичной стороны. Ядра, разработанные специально для импульсных источников питания, в настоящее время производятся несколькими крупными компаниями в области электромагнетизма, включая Metglas и Mag-Inc.
Магнитные усилители использовались локомотивами для обнаружения пробуксовки колес, пока их не заменили преобразователи тока на эффекте Холла. Кабели от двух тяговых двигателей проходили через сердечник устройства. Во время нормальной работы результирующий поток был равен нулю, поскольку оба тока были одинаковыми и в противоположных направлениях. Во время проскальзывания колеса токи будут различаться, создавая результирующий поток, который действовал как обмотка управления, создавая напряжение на резисторе, включенном последовательно с обмоткой переменного тока, которое отправлялось в схемы коррекции проскальзывания колеса.
Магнитные усилители могут использоваться для измерения высоких напряжений постоянного тока без прямого подключения к высокому напряжению и поэтому до сих пор используются в технике HVDC. Измеряемый ток проходит через две жилы, возможно, через сплошную шину. На этой шине почти нет падения напряжения. Выходной сигнал, пропорциональный количеству ампер-витков в шине управляющего тока, получается из переменного напряжения возбуждения магнитного усилителя, на шине не создается или индуцируется напряжение. Выходной сигнал имеет только магнитное соединение с шиной, поэтому шина может вполне безопасно находиться при любом напряжении ( EHT ) по отношению к приборам.
Инструментальные магнитные усилители обычно используются на космических кораблях, где очень желательна чистая электромагнитная среда.
Немецкая Кригсмарине широко использовала магнитные усилители. Они использовались для основных систем стабильных элементов, для медленно движущейся трансмиссии для управления орудиями, директорами и дальномерами, а также для управления поездом и высотой. Магнитные усилители использовались в авиационных системах ( авионика ) до появления высоконадежных полупроводников. Они сыграли важную роль в реализации ранних систем автоперехода, и Concorde использовала эту технологию для управления воздухозаборниками своих двигателей до разработки системы, использующей цифровую электронику. Магнитные усилители использовались в органах управления стабилизаторами ракет Фау-2.
Магнитные усилители широко изучались в 1950-х годах как потенциальный переключающий элемент для мэйнфреймов. Как и транзисторы, магнитные усилители были несколько меньше типичной вакуумной лампы и обладали значительным преимуществом, заключающимся в том, что они не «выгорали» и, следовательно, требовали значительно меньших затрат на обслуживание. Еще одно преимущество состоит в том, что один магнитный усилитель можно использовать для суммирования нескольких входов в одном ядре, что было полезно в арифметико-логическом блоке (ALU), поскольку это могло значительно уменьшить количество компонентов. Изготовленные на заказ лампы могли делать то же самое, но транзисторы - нет, поэтому магнитный усилитель смог объединить преимущества ламп и транзисторов в эпоху, когда последние были дорогими и ненадежными.
Принципы магнитных усилителей были нелинейно применены для создания магнитных цифровых логических вентилей. Эта эпоха была короткой, продолжавшейся с середины 1950-х до примерно 1960 года, когда новые технологии производства привели к значительным улучшениям в транзисторах и резко снизили их стоимость. В производство была запущена только одна крупномасштабная магнитофонная машина - UNIVAC Solid State, но эта технология использовалась в ряде современных компьютеров конца 1950-х / начала 1960-х годов, таких как Ferranti Sirius, Ferranti Orion и English Electric KDF9 или единовременное MAGSTEC.
Источник напряжения и последовательно соединенный переменный резистор можно рассматривать как источник сигнала постоянного тока для нагрузки с низким сопротивлением, такой как управляющая катушка насыщаемого реактора, которая усиливает сигнал. Таким образом, в принципе насыщаемый реактор - это уже усилитель, хотя до 20 века они использовались для простых задач, таких как управление освещением и электрическими механизмами еще в 1885 году.
В 1904 году пионер радиосвязи Реджинальд Фессенден разместил заказ на высокочастотный роторный механический генератор переменного тока от компании General Electric, способный генерировать переменный ток с частотой 100 кГц, который будет использоваться для непрерывной радиопередачи на большие расстояния. Проектное задание было поручено инженеру General Electric Эрнсту Ф. Александерсону, который разработал генератор переменного тока Alexanderson мощностью 2 кВт. К 1916 году Александерсон добавил магнитный усилитель для управления трансмиссией этих роторных генераторов переменного тока для трансокеанской радиосвязи.
Экспериментальные демонстрации телеграфии и телефонии, проведенные в 1917 году, привлекли внимание правительства США, особенно в свете частичных отказов трансокеанского кабеля через Атлантический океан. Генератор мощностью 50 кВт был реквизирован ВМС США и введен в эксплуатацию в январе 1918 года и использовался до 1920 года, когда была построена и смонтирована генераторно-генераторная установка мощностью 200 кВт.
Магнитные усилители широко использовались в производстве электроэнергии с начала 1960-х годов. Они обеспечивали усиление малого сигнала для автоматического регулирования напряжения генератора (АРН) от сигнала небольшой ошибки на уровне милливатта (мВт) до уровня 100 киловатт (кВт). Эта мощность, в свою очередь, была преобразована вращающейся машиной (возбудителем) на уровень 5 мегаватт (МВт), мощность возбуждения, необходимую для типичного турбогенератора электростанции мощностью 500 МВт. Они оказались прочными и надежными. Многие из них находятся в эксплуатации до середины 1990-х годов, а некоторые до сих пор используются на более старых генерирующих станциях, особенно на гидроэлектростанциях, действующих в северной Калифорнии.
Реальный магнитное аудио усилитель, разработанный шведский инженер Lars Лундал, использует насыщающихся реакторы на заключительной стадии усиления мощности. В 1970-х годах Роберт Карвер разработал и произвел несколько высококачественных мощных звуковых усилителей, назвав их магнитными усилителями. Фактически, это были во многом обычные конструкции аудиоусилителей с необычными схемами питания. Они не были магнитными усилителями, как определено в этой статье. Их не следует путать с настоящими магнитными усилителями звука, которые тоже существуют.
