Magnetisk forsterker - Magnetic amplifier
 En liten magnetisk forsterker med en effekt på 250 watt og designet for å fungere på 120 VAC, 60 Hz. Den store midtviklingen er kontrollviklingen.
|
Den magnetiske forsterkeren (kjent som en "mag amp") er en elektromagnetisk enhet for å forsterke elektriske signaler. Magnetforsterkeren ble oppfunnet tidlig på 1900-tallet, og ble brukt som et alternativ til vakuumrørsforsterkere der det var behov for robusthet og høy strømkapasitet. Andre verdenskrig Tyskland perfeksjonerte denne typen forsterker, og den ble brukt i V-2-raketten . Den magnetiske forsterkeren var mest fremtredende innen effektkontroll og lavfrekvente signalapplikasjoner fra 1947 til rundt 1957, da transistoren begynte å erstatte den. Den magnetiske forsterkeren er nå i stor grad erstattet av den transistorbaserte forsterkeren, bortsett fra i noen få sikkerhetskritiske, høy pålitelige eller ekstremt krevende applikasjoner. Kombinasjoner av transistor- og mag-amp-teknikker brukes fortsatt.
Prinsipp for drift
Visuelt kan en mag-amp-enhet ligne en transformator , men driftsprinsippet er ganske forskjellig fra en transformator - i hovedsak er mag-amp en mettbar reaktor . Den benytter seg av magnetisk metning av kjernen, en ikke-lineær egenskap til en bestemt klasse transformatorkerner. For kontrollerte metningskarakteristikker bruker magnetforsterkeren kjernematerialer som er designet for å ha en spesifikk BH-kurveform som er svært rektangulær, i motsetning til den sakte avsmalnende BH-kurven for mykt mettende kjernematerialer som ofte brukes i normale transformatorer.
Den typiske magnetiske forsterkeren består av to fysisk separate, men lignende magnetiske transformatorkerner , som hver har to viklinger: en kontrollvikling og en AC-vikling. En annen vanlig design bruker en enkelt kjerne formet som tallet "8" med en kontrollvikling og to vekselstrømsviklinger som vist på bildet ovenfor. En liten likestrøm fra en lavimpedanskilde mates inn i reguleringsviklingen. AC-viklingene kan kobles enten i serie eller parallelt, og konfigurasjonene resulterer i forskjellige typer mag-forsterkere. Mengden kontrollstrøm som mates inn i reguleringsviklingen, setter punktet i AC-viklingsbølgeformen der hver kjerne vil mette. I metning vil vekselstrømssviklingen på den mettede kjernen gå fra en høyimpedansetilstand ("av") til en veldig lavimpedansetilstand ("på") - det vil si styrestrømmen styrer punktet der spenningen mag amp bryter "på".
En relativt liten likestrøm på reguleringsviklingen er i stand til å kontrollere eller bytte store vekselstrømmer på vekselstrømspolingene. Dette resulterer i strømforsterkning.
To magnetiske kjerner brukes fordi vekselstrømmen vil generere høy spenning i kontrollviklingene. Ved å koble dem i motsatt fase avbryter de to hverandre, slik at ingen strøm induseres i kontrollkretsen. Den alternative utformingen vist ovenfor med den "8" formede kjernen oppnår dette samme målet magnetisk.
Styrker
Magnetforsterkeren er en statisk enhet uten bevegelige deler. Den har ingen slitasje mekanisme og har god toleranse for mekanisk støt og vibrasjon. Det krever ingen oppvarmingstid. Flere isolerte signaler kan summeres av ytterligere kontrollviklinger på magnetkjernene. Viklingene til en magnetisk forsterker har en høyere toleranse for øyeblikkelig overbelastning enn sammenlignbare halvledere. Magnetforsterkeren brukes også som en svinger i applikasjoner som strømmåling og kompass for fluxport . Reaktorkjernene til magnetiske forsterkere tåler nøytronstråling ekstremt godt. Av denne spesielle årsaken har magnetiske forsterkere blitt brukt i kjernekraftapplikasjoner.
Begrensninger
Gevinst tilgjengelig fra ett trinn er begrenset og lav sammenlignet med elektroniske forsterkere. Frekvensresponsen til en forsterkningsforsterker er begrenset til omtrent en tidel eksitasjonsfrekvensen, selv om dette ofte dempes av spennende magnetiske forsterkere med strømmer høyere enn frekvensen . Solid-state elektroniske forsterkere kan være mer kompakte og effektive enn magnetiske forsterkere. Bias og tilbakekoblingsviklinger er ikke ensidige og kan koble energi tilbake fra den kontrollerte kretsen til kontrollkretsen. Dette kompliserer utformingen av flertrinnsforsterkere sammenlignet med elektroniske enheter.
Magnetforsterkere introduserer betydelig harmonisk forvrengning av utgangsbølgeformen som utelukkende består av de merkelige harmoniske. I motsetning til silisiumstyrte likerettere eller TRIACer som erstattet dem, reduseres størrelsen på disse overtonene raskt med frekvens, slik at forstyrrelser med elektroniske enheter i nærheten som radiomottakere er uvanlige.
applikasjoner
Magnetiske forsterkere var viktige som modulasjons- og kontrollforsterkere i den tidlige utviklingen av taleoverføring via radio. En magnetforsterker ble brukt som stemmemodulator for en Alexanderson-generator på 2 kilowatt , og magnetforsterkere ble brukt i nøkkelkretsene til store høyfrekvente generatorer som ble brukt til radiokommunikasjon. Magnetiske forsterkere ble også brukt til å regulere hastigheten til Alexanderson-generatorer for å opprettholde nøyaktigheten til den overførte radiofrekvensen. Magnetiske forsterkere ble brukt til å styre store kraftige generatorer ved å slå dem på og av for telegrafi eller for å variere signalet for stemmemodulering. Alternatorens frekvensgrenser var ganske lave til der en frekvensmultiplikator måtte brukes til å generere høyere radiofrekvenser enn dynamoen var i stand til å produsere. Allikevel var tidlige magnetiske forsterkere som inneholdt pulverjernkjerner ikke i stand til å produsere radiofrekvenser over omtrent 200 kHz. Andre kjernematerialer, som ferrittkjerner og oljefylte transformatorer, måtte utvikles for å tillate forsterkeren å produsere høyere frekvenser.
Evnen til å kontrollere store strømmer med liten kontrollkraft gjorde magnetiske forsterkere nyttige for kontroll av lyskretser, for scenebelysning og for reklameskilt. Mettbare reaktorforsterkere ble brukt til styring av kraft til industriovner. Magnetiske forsterkere som variable vekselspenningskontroller har for det meste blitt erstattet av silisiumstyrte likerettere eller TRIACer . Magnetforsterkere brukes fremdeles i noen buesveisere.
Små magnetiske forsterkere ble brukt til radiojusteringsindikatorer, kontroll av liten motor og kjøleviftehastighet, kontroll av batteriladere.
Magnetiske forsterkere ble brukt mye som koblingselement i strømforsyninger for tidlig byttet modus ( SMPS ), så vel som i lysstyring. Halvlederbaserte solid state-brytere har i stor grad erstattet dem, selv om det nylig har vært en viss interesse for å bruke mag-forsterkere i kompakte og pålitelige strømforsyninger. PC ATX- strømforsyninger bruker ofte forsterkere til sekundær sidespenningsregulering. Kjerner designet spesielt for strømforsyninger i brytermodus produseres for tiden av flere store elektromagnetiske selskaper, inkludert Metglas og Mag-Inc.
Magnetforsterkere ble brukt av lokomotiver for å oppdage hjulsliping, inntil de ble erstattet av Hall Effect- strømtransdusere. Kablene fra to trekkmotorer passerte gjennom kjernen til enheten. Under normal drift var den resulterende strømmen null da begge strømmer var like og i motsatt retning. Strømmen vil variere under hjulsliping, noe som gir en resulterende fluks som fungerte som kontrollvikling, og utviklet en spenning over en motstand i serie med AC-viklingen som ble sendt til hjulkorrigeringskretsene.
Magnetforsterkere kan brukes til å måle høye DC-spenninger uten direkte tilkobling til høyspenningen og brukes derfor fortsatt i HVDC- teknikken. Strømmen som skal måles føres gjennom de to kjernene, muligens av en solid skinne. Det er nesten ikke noe spenningsfall i denne skinnen. Utgangssignalet, proporsjonalt med ampere-svingene i styrestrømskinnen, er avledet fra den magnetiske forsterkerens vekslende eksitasjonsspenning, det er ingen spenning opprettet eller indusert på samleskinnen. Utgangssignalet har bare en magnetisk forbindelse med samleskinnen, så bussen kan være ganske trygt ved hvilken som helst ( EHT ) spenning i forhold til instrumentasjonen.
Instrumenteringsmagnetiske forsterkere finnes ofte på romfartøy hvor et rent elektromagnetisk miljø er svært ønskelig.
Den tyske Kriegsmarine brukte omfattende magnetforsterkere. De ble brukt til master-stabile element-systemer, for langsom bevegelige overføring for å kontrollere våpen, direktører og avstandsmålere og tog- og høydekontroller. Magnetiske forsterkere ble brukt i flysystemer ( flyelektronikk ) før det kom halvledere med høy pålitelighet. De var viktige i implementeringen av tidlige autolandsystemer , og Concorde brukte teknologien for å kontrollere motorens luftinntak før utviklingen av et system med digital elektronikk. Magnetiske forsterkere ble brukt i stabilisatorstyring av V2-raketter .
Bruk i databehandling
Magnetiske forsterkere ble inngående studert i løpet av 1950-årene som en potensiell koplingselement for stor datamaskiner. I likhet med transistorer var mag-forsterkere noe mindre enn det typiske vakuumrøret, og hadde den betydelige fordelen at de ikke var utsatt for "utbrenthet" og dermed hadde dramatisk lavere vedlikeholdskrav. En annen fordel er at en enkelt magforsterker kan brukes til å oppsummere flere innganger i en enkelt kjerne, noe som var nyttig i den aritmetiske logiske enheten (ALU), da det i stor grad kunne redusere komponenttellingen. Egendefinerte rør kunne gjøre det samme, men transistorer kunne ikke, så magforsterkeren kunne kombinere fordelene med rør og transistorer i en tid da sistnevnte var dyre og upålitelige.
Prinsippene for magnetiske forsterkere ble brukt ikke lineært for å lage magnetiske digitale logiske porter . Den tiden var kort og varte fra midten av 1950-tallet til rundt 1960, da nye fabrikasjonsteknikker ga store forbedringer i transistorer og dramatisk reduserte kostnadene. Bare en storsterk mag-amp-maskin ble satt i produksjon, UNIVAC Solid State , men en rekke moderne sent på 1950- / begynnelsen av 1960-tallet brukte teknologien, som Ferranti Sirius , Ferranti Orion og English Electric KDF9 , eller engangs MAGSTEC .
Historie
Tidlig utvikling
En spenningskilde og en seriekoblet variabel motstand kan betraktes som en likestrømssignalkilde for en lav motstandsbelastning slik som styrespolen til en mettbar reaktor som forsterker signalet. I prinsippet er en mettbar reaktor altså allerede en forsterker , selv om de før 1900-tallet ble brukt til enkle oppgaver, som å kontrollere belysning og elektriske maskiner allerede i 1885.
I 1904 bestilte radiopioner Reginald Fessenden en bestilling av en høyfrekvent roterende mekanisk generator fra General Electric Company som var i stand til å generere vekselstrøm med en frekvens på 100 kHz, som skulle brukes til kontinuerlig bølgetradiooverføring over store avstander. Designjobben ble gitt til General Electric ingeniør Ernst F. Alexanderson som utviklet den 2 kW Alexanderson generatoren . I 1916 la Alexanderson til en magnetisk forsterker for å kontrollere overføringen av disse roterende generatorene for transoceanisk radiokommunikasjon.
De eksperimentelle telegrafi- og telefonidemonstrasjonene som ble gjort i løpet av 1917, tiltrakk seg den amerikanske regjeringens oppmerksomhet, spesielt i lys av delvis svikt i transoseanisk kabel over Atlanterhavet. Generatoren på 50 kW ble kommandert av US Navy og tatt i bruk i januar 1918 og ble brukt til 1920, da et 200 kW generator-generator-sett ble bygget og installert.
Bruk i elektrisk kraftproduksjon
Magnetforsterkere ble mye brukt i kraftproduksjon fra begynnelsen av 1960-tallet og utover. De ga den lille signalforsterkningen for generatorens automatiske spenningsregulering (AVR) fra et lite feilsignal på milliwatt (mW) nivå til 100 kilowatt (kW) nivå. Dette ble i sin tur omgjort av en roterende maskin (exciter) til 5 megawatt (MW) nivå, eksitasjonseffekten som kreves av en typisk 500 MW turbingeneratorenhet. De viste seg å være holdbare og pålitelige. Mange er registrert i drift på midten av 1990-tallet, og noen er fortsatt i bruk på eldre kraftverk, særlig i vannkraftverk som opererer i Nord-California.
Feilaktig bruk
På 1970-tallet designet og produserte Robert Carver flere høykvalitets kraftige lydforsterkere, og kalte dem magnetiske forsterkere. Faktisk var de i de fleste henseender konvensjonelle lydforsterkerdesign med uvanlige strømforsyningskretser. De var ikke magnetiske forsterkere som definert i denne artikkelen. De skal ikke forveksles med ekte magnetiske lydforsterkere, som også finnes.
Se også
Referanser
- Alexanderson, EFW, "Transoceanic Radio Communication," General Electric Review , oktober 1920, s. 794–797.
- Cheney, Margaret, "Tesla: Man Out of Time", 1981, New York: Simon & Schuster, Inc.
- Chute, George M., "Magnetic Amplifiers," Electronics in Industry, 1970, New York: McGraw-Hill, Inc., s. 344–351.
- Oldham, DT og Schindler, PB, "Et eksitasjonssystem for 500 MW generatorer;" Turbine-Generator Engineering, AEI Turbine-Generators, Trafford Park, Manchester, 1964.
- Trinkaus, George, "The Magnetic Amplifier: A Lost Technology of the 1950s," Nuts & Volts, februar 2006, s. 68–71.
- Trinkaus, George, redaktør, "Magnetic Amplifiers: Another Lost Technology," 1951: Electronics Design and Development Division, Bureau of Ships, United States Navy.