Магнитный усилитель

Магнитный усилитель (в разговорной речи, известный как «Mag Amp») представляет собой электромагнитное устройство для усиления электрических сигналов. Магнитный усилитель был изобретен в начале 20 -го века и использовался в качестве альтернативы усилителям вакуумных трубок , где требовалась надежность и высокая тока. Вторая мировая война Германия усовершенствовала этот тип усилителя, и он использовался в ракете V-2 . Магнитный усилитель был наиболее заметным в управлении мощностью и низкочастотными сигнальными приложениями с 1947 по 1957 год, когда транзистор начал его вытеснять. ^{[ 1 ]} Магнитный усилитель в настоящее время был в значительной степени заменен усилителем на основе транзистора, за исключением нескольких критических, высоких или чрезвычайно требовательных приложений. Комбинации транзисторов и методов Mag-AMP все еще используются.

Принцип работы

Визуально устройство Mag Amp может напоминать трансформатор , но принцип работы сильно отличается от трансформатора - по сути, MAG AMP является насыщаемым реактором . Он использует магнитное насыщение ядра, нелинейное свойство определенного класса ядер трансформаторов. Для контролируемых характеристик насыщения магнитный усилитель использует основные материалы, которые были разработаны, чтобы иметь специфическую форму кривой BH , которая является очень прямоугольной, в отличие от медленно сужающейся кривой BH мягко насыщающих материалов ядра, которые часто используются в нормальных трансформаторах.

Типичный магнитный усилитель состоит из двух физически отдельных, но сходных магнитных ядер трансформаторов , каждый из которых имеет две обмотки: контрольная обмотка и обмотка переменного тока. В другом общем дизайне используется один ядро, как число «8», с одной контрольной обмоткой и двумя обмотками переменного тока, как показано на фотографии выше. Небольшой ток постоянного тока из источника с низким импедансом подается в контрольную обмотку. Обмотки переменного тока могут быть подключены либо последовательно, либо параллельно, конфигурации, приводящие к различным типам магнитных усилителей. Количество управляющего тока, подаваемого в контрольную обмотку, устанавливает точку в форме обмотки переменного тока, в которой будет насыщенное любое ядро. При насыщении обмотка переменного тока на насыщенное ядро будет переходить из состояния с высоким импедансом («выключен») в состояние с очень низким импедансом («включен»), то есть ток управления контролирует точку, в которой напряжение маг AMP переключает "включен".

Относительно небольшой ток постоянного тока на обмотке управления способен управлять или переключать большие токи переменного тока на обмотках переменного тока. Это приводит к текущему усилению.

Два магнитных ядра используются, потому что ток переменного тока будет генерировать высокое напряжение в контрольных обмотках. Подключив их в противоположную фазу, они отменяют друг друга, так что в цепи управления не индуцируется ток. Альтернативный дизайн, показанный выше с ядром в форме «8», выполняет эту же объективную магнитную.

Сильные стороны

Магнитный усилитель представляет собой статическое устройство без движущихся частей. Он не имеет механизма износа и имеет хорошую терпимость к механическому шоку и вибрации. Это не требует времени разминки. ^{[ 2 ]} Многочисленные изолированные сигналы могут быть суммированы дополнительными контрольными обмотками на магнитных ядрах. Обмотки магнитного усилителя обладают более высокой толерантностью к мгновенной перегрузке, чем сопоставимые твердотельные устройства. Магнитный усилитель также используется в качестве преобразователя в таких приложениях, как измерение тока и компас Flux Gate . Реакторные ядра магнитных усилителей очень хорошо выдерживают нейтроновое излучение. ^{[ 3 ]} По этой особой причине магнитные усилители использовались в применении ядерной энергии. ^{[ 4 ]}

Ограничения

Усиление, доступное на одной стадии, ограничено и низким по сравнению с электронными усилителями. Частотная характеристика усилителя с высоким уровнем усиления ограничена примерно одной десятой частотой возбуждения, хотя это часто смягчается захватывающими магнитными усилителями с токами на более высокой частоте полезности . ^{[ 1 ]} Твердовые электронные усилители могут быть более компактными и эффективными, чем магнитные усилители. Обмотки и обмотки обратной связи не являются односторонними, и майская пара возвращается из контролируемой цепи в цепь управления. Это усложняет дизайн многоступенчатых усилителей по сравнению с электронными устройствами. ^{[ 1 ]}

Магнитный усилитель выходной сигнал (фиолетовый) примерно на 50% насыщенности. Вход (желтый) составляет 120 В переменного тока 60 Гц.

Магнитный усилитель выходной сигнал частотный спектр формы сигнала

Магнитные усилители вводят существенные гармонические искажения в выходной форме волны, полностью состоящей из нечетных гармоник. В отличие от контролируемых кремниевых выпрямителей или триаками, которые их заменили, величина этих гармоник быстро уменьшается с частотой, поэтому интерференция с близлежащими электронными устройствами, такими как радиоприемники, редкость.

Приложения

Магнитные усилители были важны в качестве модуляции и усилителей контроля при ранней разработке передачи голоса по радио. ^{[ 2 ]} Магнитный усилитель использовался в качестве голосового модулятора для 2-киловаттного генератора Александерсона , и магнитные усилители использовались в цепях крупных высокочастотных генераторов, используемых для радиосвязи. Магнитные усилители также использовались для регулирования скорости генераторов Александерсона для поддержания точности передаваемой радиочастоты. ^{[ 2 ]} Магнитные усилители использовались для контроля больших мощных генераторов, включив и выключав их для телеграфии или для изменения сигнала для голосовой модуляции. Пределы частоты генератора были довольно низкими до того, что необходимо было использовать множитель частот для генерации более высоких радиочастот, чем генератор способен производить. Несмотря на это, ранние магнитные усилители, включающие порошкообразные ядра, были неспособны производить радиочастоты выше приблизительно 200 кГц. Другие основные материалы, такие как ферритовые ядер и наполненные нефтью трансформаторы, должны быть разработаны, чтобы усилитель производил более высокие частоты.

Возможность управления большими токами с небольшим управляющим мощностью сделала магнитные усилители, полезную для управления осветительными цепями, для освещения на сцене и для рекламных знаков. Насыщенные усилители реактора использовались для контроля питания на промышленные печи. ^{[ 2 ]} Магнитные усилители в качестве переменных контроллеров напряжения переменного тока были в основном заменены выпрямителями, контролируемыми кремниями или Triacs . Магнитные усилители по -прежнему используются в некоторых сварщиках дуги.

Небольшие магнитные усилители использовались для индикаторов радиоприемника, управления скоростью небольшого двигателя и охлаждающего вентилятора, управления зарядными устройствами аккумулятора.

Магнитные усилители широко использовались в качестве элемента переключения в питании раннего переключения ( SMPS ), ^{[ 5 ]} а также в контроле освещения. полупроводника Твердовые переключатели на основе в значительной степени заменили их, хотя в последнее время был некоторый результат в использовании MAG AMP в компактных и надежных расходных материалах по переключению. PC ATX Power Supplies часто используют MAG AMP для регулирования вторичного бокового напряжения. Ядра, разработанные специально для расходных материалов в режиме переключения, в настоящее время изготавливаются несколькими крупными электромагнетическими компаниями, включая MetGlas и Mag-inc.

Магнитные усилители использовали локомотивами для обнаружения проскальзывания колеса, пока не заменялись преобразователями тока эффекта зала . Кабели от двух тяговых двигателей проходили через ядро устройства. Во время нормальной работы результирующий поток был нулевым, так как оба тока были одинаковыми и в противоположных направлениях. Токи будут отличаться во время проскальзывания колеса, создавая результирующий поток, который действовал в качестве контрольной обмотки, разрабатывая напряжение на резисторе последовательно с обмоткой переменного тока, которая была отправлена в схемы коррекции скольжения колеса.

Магнитные усилители могут использоваться для измерения высоких постоянных напряжений без прямого подключения к высоким напряжению и поэтому все еще используются в HVDC -Technique. Измеренный ток проходит через два ядра, возможно, с помощью сплошной шины. В этом автобусном стержне почти нет напряжения. Выходной сигнал, пропорциональный поворотам AMPERE в стержне управляющего тока, получен из переменного напряжения возбуждения магнитного усилителя, на полосе шины нет напряжения. Выходной сигнал имеет только магнитное соединение с шинской стержней, поэтому шина может быть совершенно безопасно, при любом ( EHT ) напряжении относительно инструментария.

Магнитные усилители приборов обычно встречаются на космическом корабле, где чистая электромагнитная среда очень желательна. ^{[ Цитация необходима ]}

Немецкий кригсмарин широко использовал магнитные усилители. Они использовались для мастер -стабильных элементных систем, для медленной передачи для управления оружием, режиссеров и дальномеров, а также управления поездами и высоты. Магнитные усилители использовались в авиационных системах ( авионика ) до появления полупроводников с высокой надежностью. Они были важны для реализации ранних Autoland систем , а Concorde использовали технологию для управления его воздухозаборником двигателя перед разработкой системы с использованием цифровой электроники. Магнитные усилители использовались в контроле стабилизатора ракеты V2 .

Использование в вычислениях

Магнитные усилители широко изучались в 1950 -х годах в качестве потенциального коммутационного элемента для мэйнфреймов компьютеров . Подобно транзисторам, магнитные усилители были несколько меньше, чем типичная вакуумная трубка, и имели значительное преимущество, что они не подвергались «сжиганию» и, таким образом, имели значительно более низкие требования к техническому обслуживанию. Другое преимущество заключается в том, что один магнитный усилитель может быть использован для суммы нескольких входов в одном ядре, который был полезен в арифметической логической единице (ALU), поскольку он мог значительно уменьшить количество компонентов. Пользовательские трубки могли бы сделать то же самое, но транзисторы не могли, поэтому Mag Amp смог объединить преимущества трубок и транзисторов в эпоху, когда последний был дорогим и ненадежным.

Принципы магнитных усилителей были применены не линейно для создания магнитных цифровых логических ворот . Эта эпоха была короткой, продолжительной с середины 1950-х до примерно 1960 года, когда новые методы изготовления привели к значительным улучшениям в транзисторах и резко снизили их стоимость. Только одна крупномасштабная машина MAG AMP была введена в производство, в Univac Solid State , но ряд современных компьютеров конца 1950-х/начала 1960-х годов использовали эту технологию, такие как Ferranti Sirius , Ferranti Orion и английский электрический KDF9 или Одноразовый Magstec .

История

Раннее развитие

Источник напряжения и последовательный подключенный переменный резистор могут рассматриваться как источник сигнала постоянного тока для нагрузки с низким сопротивлением, такой как контрольная катушка насыщаемого реактора, который усиливает сигнал. Таким образом, в принципе, насыщенный реактор уже является усилителем , хотя до 20 -го века они использовались для простых задач, таких как контроль освещения и электрического механизма еще в 1885 году. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}

В 1904 году радио -пионер Реджинальд Фессенден разместил заказ на высокочастотный поворотный механический генератор от компании General Electric, способной генерировать AC на частоте 100 кГц, которая будет использоваться для непрерывной волновой радиопередачи на больших расстояниях. ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} Работа по проектированию была передана инженеру General Electricer Ernst F. Alexanderson, который разработал генератор Alexanderson 2 кВт . К 1916 году Александерсон добавил магнитный усилитель, чтобы контролировать передачу этих вращающихся генераторов для транскеанской радиосвязи. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

Экспериментальная телеграфия и демонстрации телефона, сделанные в 1917 году, привлекли внимание правительства США, особенно в свете частичных сбоев в транскеанском кабеле через Атлантический океан. Генератор 50 кВт был командовал ВМС США и был введен в эксплуатацию в январе 1918 года и использовался до 1920 года, когда был построен и установлен набор генератора на 200 кВт.

Использование в производстве электроэнергии

Магнитные усилители широко использовались в производстве электроэнергии с начала 1960 -х годов. Они предоставили небольшое усиление сигнала для регуляции автоматического напряжения генератора (AVR) с небольшого сигнала ошибки на уровне Milliwatt (MW) до уровня 100 киловатт (кВт). Это, в свою очередь, была преобразована вращающейся машиной (возбудителя) на 5 -мегаватт (МВт), мощностью возбуждения, требуемой типичной мощностью турбинной установки мощностью 500 МВт. Они оказались долговечными и надежными. Многие записаны в эксплуатации в течение середины 1990-х годов, а некоторые все еще используются на старых генерирующих станциях, особенно на гидроэлектростанциях, работающих в северной Калифорнии.

Неправильно использует

В 1970-х годах Роберт Карвер спроектировал и произвел несколько высококачественных мощных аудио усилителей, назвав их магнитными усилителями. На самом деле, они были в большинстве случаев обычные конструкции аудио -усилителей с необычными цепями питания. Они не были магнитными усилителями, как определено в этой статье. Их не следует путать с настоящими магнитными аудио -усилителями, которые также существуют.

Смотрите также

Ссылки

^ Подпрыгнуть до: ^а ^{беременный} ^в Уэстман, HP (1968). "Ch. 14". Справочные данные для инженеров радио (5 -е изд.). HW Sams. ISBN 9780672206788 Полем LCCN 43-14665 . OCLC 0672206781 .
^ Подпрыгнуть до: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} Шторм, HF (1955). Магнитные усилители . Говард В. Самс PhotoFact Publication; FMA-1. Уайли. п. 383. HDL : 2027/PST.000030030824 . OCLC 895109162 .
^ Линн, Гордон Э.; Пула, Фаддеус Дж.; Рингельман, Джон Ф.; Тиммел, Фредерик Г. (1960). «Влияние на ядерное излучение на магнитные материалы». Самопорядые магнитные усилители . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. LCCN 60-6979 . Характер ферромагнитных материалов приводит к гораздо меньшим повреждениям ядерного излучения, чем это делается для полупроводниковых материалов . … Одно исследование, посвященное проблеме, указывает на то, что основной повреждение материала ядра, подходящего для самопородных магнитных усилителей, состоит из потери прямоугольности петли и повышенной динамической принудительной силы. Это исследование было сделано с общим интегрированным потоком нейтронов 2,7 ✕ $10^{18}$ нейтроны/ $cm^{2}$ .
^ Гилмор, Кен (июль 1960 г.). «Магнитные усилители - как они работают и что они делают» (PDF) . Популярная электроника . 13 (1): 71–75, 109 . Получено 2014-10-20 . Электронные сторожевые болоты, которые поддерживают мощную атомную электростанцию Triton без сцепления, являются магнитными усилителями - почти сотня из них используются для этой важнейшей работы.
^ Прессман, Авраам И. (1997). Переключение дизайна источника питания . МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-052236-7 .
^ Отдел дизайна и разработки электроники (май 1954 г.) [1951]. «История». Магнитные усилители - восходящая звезда в военно -морской электронике . Вашингтон, округ Колумбия: Бюро кораблей, Департамент флота. п. 2. Navships 900 172. Магнитный усилитель не является новым - принципы контроля насыщаемого ядра использовались в электрическом оборудовании еще в 1885 году, хотя они не были идентифицированы как таковые.
^ Мали, Пол (август 1960). «Введение» (PDF) . Магнитные усилители - принципы и приложения . Нью -Йорк: Джон Ф. Райдер издатель. п. 1. Библиотека Конгресса Каталог № 60-12440. Архивировано из оригинала (PDF) на 2006-11-14 . Получено 2010-09-19 . Магнитные усилители были разработаны еще в 1885 году в Соединенных Штатах. В то время они были известны как насыщаемые реакторы и использовались в основном в электрическом оборудовании и в театральном освещении.
^ Кемп, Баррон (август 1962). «Магнитные усилители». Основы магнитных усилителей . HW Sams. п. 7. LCCN 62-19650 . Использование магнитных сил для усиления не является новым; Обзор его истории показывает, что, хотя устройство не было известно как магнитный усилитель в то время, оно использовалось в электрическом оборудовании уже в 1885 году.
^ «Эрнст Ф. Александерсон, Достижения и жизнь Эф Александерсона, 1878–1975» . Эдисон технический центр. 2014.
^ Вехи: Александерсон радио генерирует, 1904
^ Уилсон, Томас Г. (1999). «Эволюция электроники электроники». Четырнадцатая ежегодная конференция и экспозиция Applied Power Electronics, 1999. APEC '99 . Тол. 1. С. 3–9. doi : 10.1109/APEC.1999.749482 . ISBN 978-0-7803-5160-8 Полем S2CID 117592132 .
^ Trinkush 2006

Александерсон, EFW (октябрь 1920 г.). «Трансчеанская радиосвязь». General Electric Review : 794–7.
Чейни, Маргарет (1981). Тесла: Человек вне времени . Саймон и Шустер. ISBN 9780743215367 .
Плот, Джордж М. (1971). «Магнитные усилители». Электроника в промышленности (4 -е изд.). МакГроу-Хилл. С. 344–351. ISBN 9780070109322 Полем OCLC 993285313 .
Олдхем, DT; Schindler, PB (1964). «Система возбуждения для генераторов 500 МВт». Турбин-генератор инженер . Парк Траффорд, Манчестер: турбинные генераторы AEI.
Тринкаус, Джордж (февраль 2006 г.). «Магнитный усилитель: потерянная технология 1950 -х годов» . Орехи и вольт : 68–71.
Тринкаус, Джордж, изд. (2000). Магнитные усилители: еще одна потерянная технология . Высокое напряжение пресс. ISBN 9780970961853 .
Сотрудники департамента ВМС США (2000). Тринкаус, Джордж (ред.). Магнитные усилители Библиография: добавка к магнитным усилителям, еще одна потерянная технология . Высокое напряжение пресс. ISBN 9780970961860 .

Внешние ссылки

Маммано, Боб; Unitrode Corporation (2001). «Тема 7. Управление магнитным усилителем для простого, недорогого, вторичного регулирования» (PDF) . Семинар 500 . Техасские инструменты.
"Mag-Amp Магнитные усилители вступления" . Дворецкий обмоток. 2009. Архивировано из оригинала на 2009-06-03.
Ширриф, Кен (27 марта 2022 г.). «Забытый соперник вакуумной трубки» . История технологий. IEEE Spectrum .
Штайнер, Найл (октябрь 2009 г.). «Домашние магнитные усилители» .

[Westman68-1] Подпрыгнуть до: ^а ^{беременный} ^в Уэстман, HP (1968). "Ch. 14". Справочные данные для инженеров радио (5 -е изд.). HW Sams. ISBN 9780672206788 Полем LCCN 43-14665 . OCLC 0672206781 .

[Storm55-2] Подпрыгнуть до: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} Шторм, HF (1955). Магнитные усилители . Говард В. Самс PhotoFact Publication; FMA-1. Уайли. п. 383. HDL : 2027/PST.000030030824 . OCLC 895109162 .

[3] Линн, Гордон Э.; Пула, Фаддеус Дж.; Рингельман, Джон Ф.; Тиммел, Фредерик Г. (1960). «Влияние на ядерное излучение на магнитные материалы». Самопорядые магнитные усилители . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. LCCN 60-6979 . Характер ферромагнитных материалов приводит к гораздо меньшим повреждениям ядерного излучения, чем это делается для полупроводниковых материалов . … Одно исследование, посвященное проблеме, указывает на то, что основной повреждение материала ядра, подходящего для самопородных магнитных усилителей, состоит из потери прямоугольности петли и повышенной динамической принудительной силы. Это исследование было сделано с общим интегрированным потоком нейтронов 2,7 ✕ $10^{18}$ нейтроны/ $cm^{2}$ .

[4] Гилмор, Кен (июль 1960 г.). «Магнитные усилители - как они работают и что они делают» (PDF) . Популярная электроника . 13 (1): 71–75, 109 . Получено 2014-10-20 . Электронные сторожевые болоты, которые поддерживают мощную атомную электростанцию Triton без сцепления, являются магнитными усилителями - почти сотня из них используются для этой важнейшей работы.

[5] Прессман, Авраам И. (1997). Переключение дизайна источника питания . МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-052236-7 .

[6] Отдел дизайна и разработки электроники (май 1954 г.) [1951]. «История». Магнитные усилители - восходящая звезда в военно -морской электронике . Вашингтон, округ Колумбия: Бюро кораблей, Департамент флота. п. 2. Navships 900 172. Магнитный усилитель не является новым - принципы контроля насыщаемого ядра использовались в электрическом оборудовании еще в 1885 году, хотя они не были идентифицированы как таковые.

[7] Мали, Пол (август 1960). «Введение» (PDF) . Магнитные усилители - принципы и приложения . Нью -Йорк: Джон Ф. Райдер издатель. п. 1. Библиотека Конгресса Каталог № 60-12440. Архивировано из оригинала (PDF) на 2006-11-14 . Получено 2010-09-19 . Магнитные усилители были разработаны еще в 1885 году в Соединенных Штатах. В то время они были известны как насыщаемые реакторы и использовались в основном в электрическом оборудовании и в театральном освещении.

[8] Кемп, Баррон (август 1962). «Магнитные усилители». Основы магнитных усилителей . HW Sams. п. 7. LCCN 62-19650 . Использование магнитных сил для усиления не является новым; Обзор его истории показывает, что, хотя устройство не было известно как магнитный усилитель в то время, оно использовалось в электрическом оборудовании уже в 1885 году.

[9] «Эрнст Ф. Александерсон, Достижения и жизнь Эф Александерсона, 1878–1975» . Эдисон технический центр. 2014.

[10] Вехи: Александерсон радио генерирует, 1904

[Wilson-11] Уилсон, Томас Г. (1999). «Эволюция электроники электроники». Четырнадцатая ежегодная конференция и экспозиция Applied Power Electronics, 1999. APEC '99 . Тол. 1. С. 3–9. doi : 10.1109/APEC.1999.749482 . ISBN 978-0-7803-5160-8 Полем S2CID 117592132 .

[12] Trinkush 2006

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]