Магнитный усилитель

Магнитный усилитель (в просторечии известный как «магнитный 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 большая токовая мощность. во время Второй мировой войны Германия усовершенствовала этот тип усилителя, и он был использован в ракете Фау-2 . Магнитный усилитель был наиболее известен в приложениях управления мощностью и низкочастотных сигналов с 1947 по 1957 год, когда транзисторы . его начали вытеснять ^[1] Магнитный усилитель в настоящее время в значительной степени заменен усилителем на основе транзисторов, за исключением нескольких приложений, критически важных для безопасности, высокой надежности или чрезвычайно требовательных. Комбинации транзисторов и магнитных усилителей все еще используются.

Принцип работы

Визуально магнитный усилитель может напоминать трансформатор , но принцип работы сильно отличается от трансформатора — по сути, магнитный усилитель представляет собой насыщающийся реактор . Он использует магнитное насыщение сердечника, нелинейное свойство определенного класса сердечников трансформатора. Для обеспечения контролируемых характеристик насыщения в магнитном усилителе используются материалы сердечника, которые имеют особую форму кривой BH , которая имеет сильно прямоугольную форму, в отличие от медленно сужающейся кривой BH мягко насыщающихся материалов сердечника, которые часто используются в обычных трансформаторах.

Типичный магнитный усилитель состоит из двух физически отдельных, но одинаковых 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 обмоткой управления и двумя обмотками переменного тока, как показано на фотографии выше. В обмотку управления подается небольшой постоянный ток от низкоомного источника. Обмотки переменного тока могут быть соединены последовательно или параллельно, в результате чего получаются различные типы магнитных усилителей. Величина тока управления, подаваемого в обмотку управления, устанавливает точку на форме волны обмотки переменного тока, в которой любой сердечник будет насыщаться. При насыщении обмотка переменного тока на насыщенном сердечнике перейдет из состояния с высоким импедансом («выключено») в состояние с очень низким импедансом («включено») – то есть ток управления контролирует точку, в которой напряжение магнита усилитель включается.

Относительно небольшой постоянный ток на обмотке управления способен управлять или коммутировать большие переменные токи на обмотках переменного тока. Это приводит к усилению тока.

Используются два магнитных сердечника, поскольку переменный ток генерирует высокое напряжение в обмотках управления. Соединяя их в противоположной фазе, они компенсируют друг друга, так что в цепи управления не возникает ток. Альтернативная конструкция, показанная выше, с сердечником в форме «8» решает ту же задачу в магнитном отношении.

Сильные стороны

Магнитный усилитель представляет собой статическое устройство без движущихся частей. Он не имеет механизма износа и хорошо переносит механические удары и вибрацию. Он не требует времени на разогрев. ^[2]Несколько изолированных сигналов могут суммироваться с помощью дополнительных обмоток управления на магнитных сердечниках. Обмотки магнитного усилителя имеют более высокую устойчивость к кратковременным перегрузкам, чем сопоставимые полупроводниковые устройства. Магнитный усилитель также используется в качестве преобразователя в таких приложениях, как измерение тока и феррозондовый компас . Активные зоны реакторов магнитных усилителей чрезвычайно хорошо противостоят нейтронному излучению. ^[3] По этой особой причине магнитные усилители использовались в ядерной энергетике. ^[4]

Ограничения

Усиление, доступное от одного каскада, ограничено и низко по сравнению с электронными усилителями. Частотная характеристика усилителя с высоким коэффициентом усиления ограничена примерно одной десятой частоты возбуждения, хотя это часто смягчается путем возбуждения магнитных усилителей с токами, превышающими частоту полезной нагрузки . ^[1] Твердотельные электронные усилители могут быть более компактными и эффективными, чем магнитные усилители. Обмотки смещения и обратной связи не являются односторонними и могут передавать энергию обратно из управляемой схемы в схему управления. Это усложняет конструкцию многокаскадных усилителей по сравнению с электронными устройствами. ^[1]

Форма выходного сигнала магнитного усилителя (фиолетовый) при насыщении около 50%. Вход (желтый) — 120 В переменного тока, 60 Гц.

Частотный спектр выходного сигнала магнитного усилителя

Магнитные усилители вносят существенные гармонические искажения в выходной сигнал, полностью состоящий из нечетных гармоник. В отличие от кремниевых управляемых выпрямителей или симисторов , которые заменили их, величина этих гармоник быстро уменьшается с частотой, поэтому помехи близлежащим электронным устройствам, таким как радиоприемники, являются редкостью.

Приложения

Магнитные усилители сыграли важную роль в качестве усилителей модуляции и управления на раннем этапе развития передачи голоса по радио. ^[2] Магнитный усилитель использовался в качестве модулятора голоса для генератора переменного тока Александерсона мощностью 2 киловатта , а магнитные усилители применялись в цепях манипуляции больших высокочастотных генераторов переменного тока , используемых для радиосвязи. Магнитные усилители также использовались для регулирования скорости генераторов переменного тока Александерсона для поддержания точности передаваемой радиочастоты. ^[2] Магнитные усилители использовались для управления большими мощными генераторами переменного тока путем их включения и выключения для телеграфии или для изменения сигнала для голосовой модуляции. Пределы частоты генератора были настолько низкими, что приходилось использовать умножитель частоты для генерации более высоких радиочастот, чем был способен произвести генератор. Несмотря на это, ранние магнитные усилители с сердечниками из порошкового железа были неспособны генерировать радиочастоты выше примерно 200 кГц. Чтобы усилитель мог воспроизводить более высокие частоты, необходимо разработать другие материалы сердечника, такие как ферритовые сердечники и масляные трансформаторы.

Способность управлять большими токами при небольшой управляющей мощности сделала магнитные усилители полезными для управления цепями освещения, освещения сцен и рекламных вывесок. Усилители с насыщающимся реактором использовались для управления мощностью промышленных печей. ^[2] Магнитные усилители в качестве регуляторов переменного напряжения в основном были заменены кремниевыми выпрямителями или симисторами . Магнитные усилители до сих пор используются в некоторых аппаратах дуговой сварки.

Небольшие магнитные усилители использовались для индикаторов радионастройки, управления скоростью маломотора и вентилятора охлаждения, управления зарядными устройствами аккумуляторов.

Магнитные усилители широко использовались в качестве переключающего элемента в первых импульсных ( SMPS ). источниках питания ^[5] а также в управлении освещением. Полупроводниковые переключатели в значительной степени вытеснили их, хотя в последнее время возобновился интерес к использованию магнитных усилителей в компактных и надежных импульсных источниках питания. для ПК В блоках питания ATX часто используются магнитные усилители для регулирования вторичного напряжения. Сердечники, разработанные специально для импульсных источников питания, в настоящее время производятся несколькими крупными электромагнетическими компаниями, включая Metglas и Mag-Inc.

Магнитные усилители использовались локомотивами для обнаружения пробуксовки колес, пока их не заменили на эффекте Холла датчики тока тросы от двух тяговых двигателей . Через ядро устройства прошли . При нормальной работе результирующий поток был равен нулю, поскольку оба тока были одинаковыми и в противоположных направлениях. Во время пробуксовки колес токи будут различаться, создавая результирующий поток, который действует как обмотка управления, создавая напряжение на резисторе, включенном последовательно с обмоткой переменного тока, которое передается в схемы коррекции проскальзывания колес.

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 пропускается через два ядра, возможно, через сплошную шину. Падения напряжения на этой шине практически нет. Выходной сигнал, пропорциональный ампер-виткам в шине управляющего тока, получается из переменного напряжения возбуждения магнитного усилителя, напряжение на шине не создается и не наводится. Выходной сигнал имеет только магнитную связь с шиной, поэтому шина может совершенно безопасно находиться при любом ( EHT ) напряжении по отношению к контрольно-измерительным приборам.

Приборные магнитные усилители обычно встречаются на космических кораблях, где очень желательна чистая электромагнитная среда. ^{[ нужна ссылка ]}

Немецкая Кригсмарине широко использовала магнитные усилители. Они использовались для главных систем стабильных элементов, для тихоходной передачи управления орудиями, наводками и дальномерами, а также для управления поездами и углом наклона. Магнитные усилители использовались в авиационных системах ( авионике ) до появления полупроводников высокой надежности. Они сыграли важную роль при внедрении первых autoland систем , и Concorde использовал эту технологию для управления воздухозаборниками двигателя до разработки системы с использованием цифровой электроники. Магнитные усилители использовались в стабилизаторах управления ракет Фау-2 .

Использование в вычислениях

Магнитные усилители широко изучались в 1950-х годах как потенциальный переключающий элемент для мейнфреймов . Как и транзисторы, магнитные усилители были несколько меньше обычных электронных ламп и имели то существенное преимущество, что они не подвергались «перегоранию» и, следовательно, требовали значительно меньших требований к обслуживанию. Еще одним преимуществом является то, что один магнитный усилитель можно использовать для суммирования нескольких входов в одном ядре, что было полезно в арифметико-логическом устройстве (АЛУ), поскольку могло значительно сократить количество компонентов. Нестандартные лампы могли делать то же самое, а транзисторы — нет, поэтому магнитный усилитель смог объединить преимущества ламп и транзисторов в эпоху, когда последние были дорогими и ненадежными.

Принципы магнитных усилителей были применены нелинейно для создания магнитных цифровых логических элементов . Эта эпоха была короткой, продолжавшейся с середины 1950-х годов примерно до 1960-х годов, когда новые технологии производства позволили значительно улучшить транзисторы и резко снизить их стоимость. В производство был запущен только один крупный магнитный усилитель, UNIVAC Solid State , но в ряде современных компьютеров конца 1950-х — начала 1960-х годов использовалась эта технология, например, Ferranti Sirius , Ferranti Orion и English Electric KDF9 или разовый МАГСТЕК .

История

Раннее развитие

Источник напряжения и последовательно соединенный переменный резистор можно рассматривать как источник сигнала постоянного тока для нагрузки с низким сопротивлением, такой как катушка управления насыщающегося реактора, которая усиливает сигнал. Таким образом, насыщающийся реактор, в принципе, уже является усилителем , хотя до 20 века их использовали для простых задач, например, для управления освещением и электрическими машинами еще в 1885 году. ^[6]^[7]^[8]

В 1904 году пионер радио Реджинальд Фессенден разместил у компании General Electric заказ на высокочастотный роторный механический генератор переменного тока, способный генерировать переменный ток частотой 100 кГц для использования в непрерывной радиопередаче на большие расстояния. ^[9]^[10] Работа по проектированию была поручена инженеру General Electric Эрнсту Ф. Александерсону, который разработал генератор переменного тока Александерсона мощностью 2 кВт . К 1916 году Александерсон добавил магнитный усилитель для управления передачей этих роторных генераторов переменного тока для трансокеанской радиосвязи. ^[11]^[12]

Экспериментальные демонстрации телеграфии и телефонии, проведенные в 1917 году, привлекли внимание правительства США, особенно в свете частичных сбоев в трансокеанском кабеле через Атлантический океан. Генератор переменного тока мощностью 50 кВт был передан ВМС США, принят на вооружение в январе 1918 года и использовался до 1920 года, когда была построена и установлена генераторно-генераторная установка мощностью 200 кВт.

Использование в производстве электроэнергии

Магнитные усилители широко использовались в производстве электроэнергии с начала 1960-х годов. Они обеспечили усиление небольшого сигнала для автоматического регулирования напряжения генератора (АРН) от небольшого сигнала ошибки на уровне милливатт (мВт) до уровня 100 киловатт (кВт). Это, в свою очередь, было преобразовано с помощью вращающейся машины (возбудителя) в уровень 5 мегаватт (МВт), мощность возбуждения, необходимая для типичной турбогенераторной установки 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 старых электростанциях, особенно на гидроэлектростанциях, работающих в северной Калифорнии.

Неправильное использование

В 1970-х годах Роберт Карвер разработал и произвел несколько высококачественных мощных аудиоусилителей, назвав их магнитными усилителями. Фактически, во многих отношениях это были 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.

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Вестман, HP (1968). «Гл. 14». Справочные данные для радиоинженеров (5-е изд.). Х.В. Сэмс. ISBN 9780672206788 . LCCN 43-14665 . OCLC 0672206781 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Шторм, HF (1955). Магнитные усилители . Публикация фотофактов Говарда В. Сэма; ФМА-1. Уайли. п. 383. hdl : 2027/pst.000030030824 . ОСЛК 895109162 .
^ Линн, Гордон Э.; Пула, Таддеус Дж.; Рингельман, Джон Ф.; Тиммель, Фредерик Г. (1960). «Воздействие ядерного излучения на магнитные материалы». Самонасыщающиеся магнитные усилители . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. LCCN 60-6979 . Природа ферромагнитных материалов приводит к гораздо меньшему ущербу от ядерного излучения, чем к полупроводниковым материалам . … Одно исследование, посвященное этой проблеме, показывает, что основной ущерб материалу сердечника, подходящего для самонасыщающихся магнитных усилителей, состоит в потере прямоугольности контура и увеличении динамической коэрцитивной силы. Данное исследование выполнено при полном интегральном потоке нейтронов 2,7 ✕. $10^{18}$ нейтроны/ $cm^{2}$ .
^ Гилмор, Кен (июль 1960 г.). «Магнитные усилители – как они работают и что делают» (PDF) . Популярная электроника . 13 (1): 71–75, 109 . Проверено 20 октября 2014 г. Электронными сторожевыми устройствами, которые обеспечивают бесперебойную работу мощной атомной установки «Тритона», являются магнитные усилители – почти сотни из них используются для этой важной работы.
^ Прессман, Авраам И. (1997). Проектирование импульсного источника питания . МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-052236-7 .
^ Отдел проектирования и разработки электроники (май 1954 г.) [1951 г.]. «История». Магнитные усилители – восходящая звезда военно-морской электроники . Вашингтон, округ Колумбия: Судовое бюро Министерства военно-морского флота. п. 2. НАВШИПС 900 172. Магнитный усилитель не нов – принципы управления насыщающимся сердечником использовались в электрических машинах еще в 1885 году, хотя и не были идентифицированы как таковые.
^ Мали, Пол (август 1960 г.). «Введение» (PDF) . Магнитные усилители – принципы и применение . Нью-Йорк: Издательство Джона Ф. Райдера. п. 1. Каталожный номер Библиотеки Конгресса США 60-12440. Архивировано из оригинала (PDF) 14 ноября 2006 г. Проверено 19 сентября 2010 г. Магнитные усилители были разработаны еще в 1885 году в США. В то время они были известны как реакторы насыщения и использовались в основном в электротехнике и театральном освещении.
^ Кемп, Бэррон (август 1962 г.). «Магнитные усилители». Основы магнитных усилителей . Х.В. Сэмс. п. 7. LCCN 62-19650 . Использование магнитных сил для усиления не ново; Обзор его истории показывает, что, хотя в то время это устройство не было известно как магнитный усилитель, оно использовалось в электрических машинах еще в 1885 году.
^ «Эрнст Ф. Александерсон, Достижения и жизнь Э.Ф. Александерсона, 1878–1975» . Технологический центр Эдисона. 2014.
^ Вехи: Радиогенератор Александрсона, 1904 г.
^ Уилсон, Томас Г. (1999). «Эволюция силовой электроники». Четырнадцатая ежегодная конференция и выставка прикладной силовой электроники, 1999 г. АТЭС '99 . Том. 1. С. 3–9. дои : 10.1109/APEC.1999.749482 . ISBN 978-0-7803-5160-8 . S2CID 117592132 .
^ Тринкаус 2006 г.

Александерсон, EFW (октябрь 1920 г.). «Трансокеанская радиосвязь». Обзор General Electric : 794–7.
Чейни, Маргарет (1981). Тесла: Человек вне времени . Саймон и Шустер. ISBN 9780743215367 .
Чут, Джордж М. (1971). «Магнитные усилители». Электроника в промышленности (4-е изд.). МакГроу-Хилл. стр. 344–351. ISBN 9780070109322 . OCLC 993285313 .
Олдхэм, DT; Шиндлер, П.Б. (1964). «Система возбуждения генераторов мощностью 500 МВт». Турбогенераторостроение . Траффорд Парк, Манчестер: Турбогенераторы AEI.
Тринкаус, Джордж (февраль 2006 г.). «Магнитный усилитель: утраченная технология 1950-х годов» . Гайки и вольты : 68–71.
Тринкаус, Джордж, изд. (2000). Магнитные усилители: еще одна утраченная технология . Пресс высокого напряжения. ISBN 9780970961853 .
Сотрудники министерства ВМС США (2000 г.). Тринкаус, Джордж (ред.). Библиография магнитных усилителей: дополнение к магнитным усилителям, еще одной утерянной технологии . Пресс высокого напряжения. ISBN 9780970961860 .

Внешние ссылки

Маммано, Боб; Корпорация Юнитрод (2001). «Тема 7. Управление магнитным усилителем для простого, недорогого вторичного регулирования» (PDF) . Семинар 500 . Техасские инструменты.
«Введение в магнитные усилители MAG-AMP» . Батлер Виндинг. 2009. Архивировано из оригинала 3 июня 2009 г.
Ширрифф, Кен (27 марта 2022 г.). «Забытый соперник вакуумной лампы» . История технологий. IEEE-спектр .
Штайнер, Найл (октябрь 2009 г.). «Самодельные магнитные усилители» .

[Westman68-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Вестман, HP (1968). «Гл. 14». Справочные данные для радиоинженеров (5-е изд.). Х.В. Сэмс. ISBN 9780672206788 . LCCN 43-14665 . OCLC 0672206781 .

[Storm55-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Шторм, HF (1955). Магнитные усилители . Публикация фотофактов Говарда В. Сэма; ФМА-1. Уайли. п. 383. hdl : 2027/pst.000030030824 . ОСЛК 895109162 .

[3] Линн, Гордон Э.; Пула, Таддеус Дж.; Рингельман, Джон Ф.; Тиммель, Фредерик Г. (1960). «Воздействие ядерного излучения на магнитные материалы». Самонасыщающиеся магнитные усилители . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. LCCN 60-6979 . Природа ферромагнитных материалов приводит к гораздо меньшему ущербу от ядерного излучения, чем к полупроводниковым материалам . … Одно исследование, посвященное этой проблеме, показывает, что основной ущерб материалу сердечника, подходящего для самонасыщающихся магнитных усилителей, состоит в потере прямоугольности контура и увеличении динамической коэрцитивной силы. Данное исследование выполнено при полном интегральном потоке нейтронов 2,7 ✕. $10^{18}$ нейтроны/ $cm^{2}$ .

[4] Гилмор, Кен (июль 1960 г.). «Магнитные усилители – как они работают и что делают» (PDF) . Популярная электроника . 13 (1): 71–75, 109 . Проверено 20 октября 2014 г. Электронными сторожевыми устройствами, которые обеспечивают бесперебойную работу мощной атомной установки «Тритона», являются магнитные усилители – почти сотни из них используются для этой важной работы.

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

[6] Отдел проектирования и разработки электроники (май 1954 г.) [1951 г.]. «История». Магнитные усилители – восходящая звезда военно-морской электроники . Вашингтон, округ Колумбия: Судовое бюро Министерства военно-морского флота. п. 2. НАВШИПС 900 172. Магнитный усилитель не нов – принципы управления насыщающимся сердечником использовались в электрических машинах еще в 1885 году, хотя и не были идентифицированы как таковые.

[7] Мали, Пол (август 1960 г.). «Введение» (PDF) . Магнитные усилители – принципы и применение . Нью-Йорк: Издательство Джона Ф. Райдера. п. 1. Каталожный номер Библиотеки Конгресса США 60-12440. Архивировано из оригинала (PDF) 14 ноября 2006 г. Проверено 19 сентября 2010 г. Магнитные усилители были разработаны еще в 1885 году в США. В то время они были известны как реакторы насыщения и использовались в основном в электротехнике и театральном освещении.

[8] Кемп, Бэррон (август 1962 г.). «Магнитные усилители». Основы магнитных усилителей . Х.В. Сэмс. п. 7. LCCN 62-19650 . Использование магнитных сил для усиления не ново; Обзор его истории показывает, что, хотя в то время это устройство не было известно как магнитный усилитель, оно использовалось в электрических машинах еще в 1885 году.

[9] «Эрнст Ф. Александерсон, Достижения и жизнь Э.Ф. Александерсона, 1878–1975» . Технологический центр Эдисона. 2014.

[10] Вехи: Радиогенератор Александрсона, 1904 г.

[Wilson-11] Уилсон, Томас Г. (1999). «Эволюция силовой электроники». Четырнадцатая ежегодная конференция и выставка прикладной силовой электроники, 1999 г. АТЭС '99 . Том. 1. С. 3–9. дои : 10.1109/APEC.1999.749482 . ISBN 978-0-7803-5160-8 . S2CID 117592132 .

[12] Тринкаус 2006 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]