Magneettivahvistin

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Mahdollisimman yksinkertainen siirtokuristin valonsäätimenä. Kuvan laitteessa on keskeinen osa muuntajaa muistuttava käämitty kyllästyvä reaktori.
Sarjaan kytketty transduktori.
Rinnan kytketty transduktori.

Magneettivahvistin[1] tai magneettinen vahvistin[2] on sähköisen signaalin vahvistin, jossa vahvistus tapahtuu yhden tai useamman magneettisydämen reaktorissa. Toisin kuin elektroniputkiin tai transistoreihin perustuvat vahvistimet, magneettivahvistin vaatii käyttöjännitteekseen vaihtojännitteen, jonka sopiva taajuus ja amplitudi riippuvat reaktorin sydämen ja työkäämin mitoituksesta. Magneettivahvistimen toiminta perustuu ferromagneettisen sydänmateriaalin magneettivuon kyllästymiseen. Magneettivahvistimen toimintaperiaate ja mitoitus poikkeavat suuresti muista vahvistimista, mutta sille on kehitetty lukuisia sovelluksia, jotka ovat suurelta osin päällekkäisiä muuntyyppisten vahvistimien kanssa.

Yksinkertaisimmillaan magneettivahvistin voi olla pelkkä transduktori eli siirtokuristin[2] tai viertokuristin[3], jollaista on käytetty vaihtovirran säätämiseen ainakin 1900-luvun alusta. Burgess ja Frankenfield ratkaisivat transduktorin muuntajavaikutuksen ylimääräisellä ohjausvirtapiiriin kytketyllä suodatuskuristimella.[4] Alexandersonin patentin jälkeen transduktoreissa on ollut tavallisesti kaksi keskenään identtistä yksivaiheista muuntajaa muistuttavaa reaktoria, joiden työkäämit on kytketty joko sarjaan tai rinnakkain, ja ohjauskäämit on kytketty vastakkaisvaiheisesti sarjaan. Ohjauskäämien vastakkaisvaiheisen kytkennän ansiosta transduktorin toiminta muuntajana estyy, eikä käyttöjännite häiritse ohjausta.[5]

Toisen maailmansodan jälkeen havaittiin, että magneettivahvistinteknologia oli jo edistynyt pitkälle, mutta kaupalliset sovellukset olivat silti harvinaisia.[6]

Reaktori[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kyllästyvä reaktori on välttämätön komponentti kaikissa magneettivahvistimissa. Sitä voidaan pitää virtapiirin elementtinä, jonka impedanssi on hyvin suuri käyttöjännitteen puolijakson yhden osan aikana ja hyvin matala puolijakson jälkimmäisen osan aikana. Siirtymä näiden tilojen välillä on äkillinen. Vaihekulmaa, jonka kohdalla impedanssi muuttuu korkeasta matalaan, tavallisesti säädellään tasavirralla.[7]

Magneettivahvistimen reaktorin sydämelle on tyypillistä tasainen magnetointivastus vuon kyllästymisrajojen sisäpuolella ja äkillinen magneettivuon kyllästyminen rajan ylittyessä. Kyllästyneen reaktorin magnetointivastus häviää ja ainoastaan työkäämin resistanssi pysyy, kunnes käyttöjännitteen ja sen myötä työkäämin virran napaisuuden kääntyminen palauttavat reaktorin sydämen magneettivuon alempaan arvoon.

Mekaaniset rakenneratkaisut[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Tasavirtaohjattu kyllästyvä reaktori koostuu tavallisesti magneettiteräksestä laminoidusta E-sydämestä, jonka keskimmäisen haaran ympärille on käämitty ohjauskäämi ja kahteen ulommaiseen haaraan työkäämit.[8]

Merkittävin luokittelu aiheutuu työkäämien lukumäärästä:

  1. Yhden työkäämin reaktorit, jotka eivät rakenteeltaan eroa yksivaiheisista muuntajista.
  2. Kahden työkäämin reaktorit, jotka mahdollistavat muuntajavaikutuksen kumoamisen.
William Geyger esitteli kuusi yleistä rakenneratkaisua jälkimmäisen luokan toteuttamiseksi[9]:
  1. Kaksi erillistä rengassydämistä reaktorielementtiä.
  2. Kaksi erillistä E-sydämistä reaktorielementtiä.
  3. Yksi E-sydän, jonka keskimmäiseen haaraan on käämitty ohjauskäämi ja ulommaisiin haaroihin työkäämit.
  4. Yksi E-sydän, jossa on häiritsevien hystereesi-ilmiöiden eliminoimiseksi halkaistu keskihaara, johon on käämitty ohjauskäämi ja ulommaisiin haaroihin työkäämit.
  5. Kaksi erillistä E-sydäntä, joiden keskihaaroihin on käämitty erilliset työkäämit ja yhteinen työkäämejä peittävä ohjauskäämi.
  6. Kaksi erillistä rengassydäntä, joihin on käämitty erilliset työkäämit ja yhteinen työkäämejä peittävä ohjauskäämi.

Kyllästyvän reaktorin ja magneettivahvistimen ero[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sekaannuksen välttämiseksi kyllästyvä reaktori ja magneettivahvistin erotellaan toisistaan seuraavasti[10]:

  • Magneettivahvistin on virtapiirilaite, joka koostuu kyllästyvien reaktorien, tasasuuntaajien, vastusten ja tavanomaisten muuntajien yhdistelmästä, jota käytetään signaalin vahvistukseen.
  • Kyllästyvä reaktori on pelkkä reaktori riippumatta sen käyttötavasta. Se on ensisijainen ja yhteinen komponentti kaikissa magneettivahvistimissa.

Kyllästyvän reaktorin ja magneettivahvistimen eroa voidaan verrata transistorin ja transistorivahvistimen eroon.

Toimintaperiaate[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vahvistettava sähköinen signaali ja biasvirta ohjataan erillisiin käämeihin. Niiden avulla magnetoinnin alkupistettä voidaan siirtää, jolloin reaktorin kyllästymisen ajankohtaa ja siten myös magneettivahvistimen kuorman saaman kuormituspulssin pituutta säädetään. Tällä tavoin magneettivahvistimen toiminta muistuttaa hakkuriteholähteistä ja D-luokan vahvistimista tuttua pulssinleveysmodulaatiota, mutta magneettivahvistimessa sitä varten ei tarvita erillistä ohjainpiiriä. Vahvistettu signaali siirtyy kuormaan pulsseina työkäämien kautta.

Magneettivahvistimille tyypillisiä ominaisuuksia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vuorovaiheinen H-siltakytketty magneettivahvistin, joka ei olisi mahdollinen ilman diodeja.

Diodien avulla magneettivahvistimiin on saatu runsaasti lisää erilaisia ominaisuuksia. Magneettivahvistimia on diodien avulla nopeutettu ja monipuolistettu. H-siltakytketty magneettivahvistin voi vahvistaa signaalin lineaarisesti laajalla alueella nollan molemmin puolin.[11] Tämäntyyppisiä magneettivahvistimia voi käyttää esimerkiksi audiovahvistimina, kunhan käyttöjännitteen taajuus on riittävän suuri.[12][13][14][15][16] Audiovahvistimissa ja monissa muissa vahvistimissa ei tarvita signaalin tasakomponentin vahvistusta, jolloin on mahdollista toteuttaa vahvistin yksinkertaisemmilla rakenteilla.[17]

Magneettivahvistimella on myös muista vahvistimista poikkeavia ominaisuuksia. Ne ovat täysin käytössä kulumattomia, jos mukana ei ole diodeja tai muita kuluvia komponentteja. Pelkkä reaktorisydämen ylilämpö ei riko sitä, vaan toimintakyky palautuu lämpötilan laskettua. Magneettivahvistin on tavallisesti samanaikaisesti galvaanisesti erotettu ja DC-kytketty.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Paavola, Martti: ”Magneettivahvistimet”, Sähkötekniikan oppikirja, s. 388–397. 13. painos. Porvoo: WSOY, 1979. ISBN 951-0-09265-7.
  2. a b Paavola, Martti: ”Siirtokuristimet”, Sähkötekniikan oppikirja, s. 363–365. 8. painos. Porvoo: WSOY, 1964.
  3. Torkkola, Erkki: ”Transduktorit eli viertokuristimet”, Tekninen sähköoppi 1 – Elektroniikka, s. 233–237. Helsinki: Tammi, 1977. ISBN 951-30-4091-7.
  4. United States Patent, Regulation of Electric Circuits. (Charles F. Burgess & Budd Frankenfield). 720884, June 12, 1901, (February 17, 1903). 6 sivua. PDF, viitattu 2010-10-05. (englanniksi)
  5. United States Patent, Controlling Alternating Currents. (Ernst F. W. Alexanderson). 1206643, December 17, 1912, (November 28, 1916). 4 sivua. PDF, viitattu 2010-10-05. (englanniksi)
  6. Fitzgerald, Alan S.: Magnetic Amplifier Circuits, Neutral Type. ("Considering the resourcefulness and diligence which have been applied to these efforts, it is remarkable how few of these ingenious schemes have found a permanent place in general engineering practice. With the exception of a few large theatre stage-lighting control systems, there is no application of saturating reactors in common use with regard to which information can readily be found in technical literature.") Journal of The Franklin Institute, October 1947, 244. vsk, nro 4, s. 249. (englanniksi)
  7. Storm, Herbert Frederick: ”Introduction to the Theory of Magnetic Amplifiers”, Magnetic Amplifiers, s. 62–67. New York: John Wiley & Sons, 1955. Library of Congress Catalog Card Number 55-6432. (englanniksi)
  8. Crow, Leonard R.: ”Fundamentals of Saturable Core Reactor Devices”, Saturating Core Devices – Operating Principles and Applications, s. 1–4. Ann Arbor, Michigan: Edwards Brothers, 1956. (englanniksi)
  9. Geyger, William A.: ”Magnetic-amplifier Elements”, Magnetic-amplifier Circuits, s. 27. New York, New York: McGraw-Hill Book Company, 1957. Library of Congress Catalog Card Number 56-12532. (englanniksi)
  10. Platt, Sidney: ”4 The Saturable Reactor”, Magnetic Amplifiers – Theory and Application, s. 54. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice-Hall, 1958. Library of Congress Catalog Card Number 58-11838. (englanniksi)
  11. Lufcy, C. W. & Woodson, H. H.: Design Considerations of the Half-Wave Bridge Magnetic Amplifier. AIEE Transactions, July, 1954, 73. vsk, nro I, s. 220–226. (englanniksi)
  12. Suozzi, J. J. & Hooper, E. T.: An All-Magnetic Audio Amplifier System. AIEE Transactions, July, 1955, 74. vsk, nro I, s. 297–301. (englanniksi)
  13. Horiuchi, T. & Yamaguchi, M. & Murakami, K.: Operating Characteristics of a Trial Audio-Frequency-Range Magnetic Amplifier System Using Amorphous Magnetic Cores. IEEE Translation Journal on Magnetics in Japan, August, 1985, TJMJ-1. vsk, nro 5, s. 618–619. (englanniksi)
  14. MagAmp (Now, after having manufactured high qualitiy transformers in his own company for almost 40 years, Mr. Lundahl has managed to realize an old dream - combining his knowledge of tube (valve) amplifiers and transformers to build a hifi magnetic amplifier.) Saksa: AcousticPlan. Viitattu 2011-12-16. (englanniksi)
  15. Kraft, Roland: Lars Lundahl MagAmp. Image hifi, 1996, heinäkuu, nro 10, s. 74–80. Artikkelin verkkoversio (PDF) Viitattu 2011-12-17. (saksaksi)
  16. Brockmann, Cai: Vollverstärker AcousticPlan MagAmp. Image hifi, 2010, tammikuu, nro 91, s. 66–73. Artikkelin verkkoversio (PDF) Viitattu 2011-12-16. (saksaksi)
  17. Vincent, A. M.: Magnetic Audio Frequency Fundamentals. Audio Engineering, September, 1952, s. 42, 44, 46, 73. New York: Audio Engineering Society. (englanniksi)