Магнитный усилитель

Магнитный усилитель — это электромагнитное устройство, предназначенное для усиления электрических сигналов за счёт управления индуктивным сопротивлением дросселя с ферромагнитным сердечником. В отличие от электронных усилителей на транзисторах или лампах, магнитный усилитель не содержит активных полупроводниковых элементов и работает на принципе нелинейности кривой намагничивания ферромагнетика. Устройство относится к классу электромагнитных аппаратов и historically применялось в системах автоматики, регулирования и силовой электроники.

Принцип действия

Работа магнитного усилителя основана на эффекте подмагничивания сердечника. Конструктивно устройство содержит один или несколько ферромагнитных сердечников (обычно из электротехнической стали или пермаллоя) с двумя типами обмоток: рабочей (силовой) и управляющей (подмагничивающей).

Рабочая обмотка включается последовательно с нагрузкой в цепь переменного тока. Управляющая обмотка питается постоянным током и создаёт в сердечнике дополнительный магнитный поток, который смещает рабочую точку на кривой намагничивания. При увеличении тока управления сердечник насыщается, его магнитная проницаемость резко падает, а индуктивное сопротивление рабочей обмотки уменьшается. В результате ток в нагрузке возрастает. Таким образом, маломощный сигнал постоянного тока управляет значительно большей мощностью переменного тока, что и обеспечивает усиление.

Коэффициент усиления по мощности может достигать значений 10⁵–10⁶. При этом связь между цепью управления и силовой цепью является гальванической (через общий магнитный поток), что обеспечивает полную развязку по постоянному току.

Конструкция и виды

Существует несколько конструктивных разновидностей магнитных усилителей:

• Однотактные — простейшие устройства с одним сердечником и одной рабочей обмоткой. Имеют существенный недостаток: выходной сигнал содержит чётные гармоники, что искажает форму кривой тока.
• Двухтактные (дифференциальные) — состоят из двух сердечников или двух пар обмоток, включённых встречно. Позволяют компенсировать чётные гармоники и обеспечивают линейную характеристику «вход-выход».
• С самонасыщением — в таких устройствах выпрямительные диоды включены последовательно с рабочими обмотками, что позволяет использовать эффект внутренней обратной связи и значительно повышает коэффициент усиления.
• С внешней обратной связью — дополнительная обмотка, питаемая выпрямленным током нагрузки, увеличивает крутизну характеристики и стабильность работы.

По числу тактов работы различают усилители, работающие на одной полуволне питающего напряжения (однополупериодные) и на обеих полуволнах (двухполупериодные).

Характеристики

Основными параметрами магнитного усилителя являются:

• Коэффициент усиления по мощности — отношение мощности на выходе к мощности управления.
• Постоянная времени — время переходного процесса, определяемое индуктивностью обмотки управления и сопротивлением источника сигнала. Обычно составляет 0,01–0,5 с.
• Крутизна характеристики — изменение выходного тока при изменении тока управления.
• Диапазон рабочих частот — ограничен свойствами ферромагнитного материала; для промышленной частоты 50 Гц используются сердечники из трансформаторной стали, для повышенных частот (400 Гц и выше) — из пермаллоя или ферритов.

К достоинствам магнитных усилителей относятся высокая надёжность, большой срок службы (отсутствие изнашивающихся деталей), устойчивость к перегрузкам и радиации, а также возможность работы при высоких температурах. Недостатки — значительные масса и габариты, инерционность (задержка сигнала) и ограниченный частотный диапазон.

Применение

Магнитные усилители получили широкое распространение в середине XX века, до массового внедрения полупроводниковых приборов. Основные области применения:

• Системы автоматического регулирования — в регуляторах напряжения генераторов, в схемах стабилизации тока и напряжения.
• Электропривод — для управления скоростью и моментом двигателей постоянного и переменного тока.
• Судовая и авиационная техника — в системах управления рулями, стабилизации и навигации, где требовалась высокая надёжность.
• Железнодорожная автоматика — в устройствах управления стрелочными переводами и сигнализацией.
• Источники вторичного электропитания — в стабилизаторах и преобразователях напряжения.

В СССР магнитные усилители активно применялись в промышленной автоматике, в частности в системах управления прокатными станами, экскаваторами и металлорежущими станками. Одним из наиболее массовых применений были бесконтактные регуляторы напряжения для синхронных генераторов на электростанциях.

История

Первые упоминания об эффекте управления индуктивностью подмагничиванием относятся к концу XIX века. В 1885 году Никола Тесла описал явление изменения магнитной проницаемости сердечника под действием постоянного тока. Однако практические конструкции появились лишь в 1910–1920-х годах. В 1916 году американский инженер Э. Александерсон предложил схему усилителя для радиотелефонии. В 1920-е годы немецкий инженер Р. Фельдкеллер разработал теорию магнитных усилителей и создал работоспособные образцы.

Расцвет технологии пришёлся на 1940–1950-е годы, когда магнитные усилители использовались в системах управления зенитными орудиями, в радиолокации и в первых электронно-вычислительных машинах (например, в советской ЭВМ «Урал»). С развитием полупроводниковой электроники в 1960-х годах магнитные усилители были вытеснены транзисторными усилителями и тиристорными преобразователями, однако продолжали применяться в специальных областях, где требовалась повышенная надёжность.

Современное состояние

В настоящее время магнитные усилители используются ограниченно. Они сохраняют значение в системах, работающих в условиях повышенной радиации, в высокотемпературной среде и при жёстких требованиях к безотказности. Отдельные применения связаны с использованием магнитных усилителей в качестве бесконтактных регуляторов в источниках бесперебойного питания и в устройствах защиты электрических сетей. Кроме того, принципы магнитного усиления применяются в современных магнитных датчиках тока и в некоторых типах измерительных преобразователей.