Amplificador magnético - Magnetic amplifier
 Um pequeno amplificador magnético avaliado em 250 watts e projetado para operar em 120 VAC, 60 Hz. O grande enrolamento central é o enrolamento de controle.
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O amplificador magnético (coloquialmente conhecido como " amplificador magnético ") é um dispositivo eletromagnético para amplificar sinais elétricos. O amplificador magnético foi inventado no início do século 20, e foi utilizado como uma alternativa ao tubo de vácuo amplificadores onde foram necessária robustez e de elevada capacidade de corrente. A Alemanha da Segunda Guerra Mundial aperfeiçoou esse tipo de amplificador, e ele foi usado no foguete V-2 . O amplificador magnético foi mais proeminente no controle de potência e aplicações de sinal de baixa frequência de 1947 a cerca de 1957, quando o transistor começou a suplantá-lo. O amplificador magnético agora foi amplamente substituído pelo amplificador baseado em transistor, exceto em algumas aplicações críticas de segurança, alta confiabilidade ou extremamente exigentes. Combinações de técnicas de transistor e amplificador magnético ainda são usadas.
Princípio da Operação
Visualmente, um dispositivo de amplificador magnético pode se parecer com um transformador , mas o princípio de operação é bem diferente de um transformador - essencialmente, o amplificador magnético é um reator saturável . Faz uso da saturação magnética do núcleo, propriedade não linear de uma determinada classe de núcleos de transformadores. Para características de saturação controlada, o amplificador magnético emprega materiais de núcleo que foram projetados para ter uma forma de curva BH específica que é altamente retangular, em contraste com a curva BH de afilamento lento de materiais de núcleo de saturação suave que são frequentemente usados em transformadores normais.
O amplificador magnético típico consiste em dois núcleos magnéticos de transformador fisicamente separados, mas semelhantes , cada um dos quais tem dois enrolamentos: um enrolamento de controle e um enrolamento CA. Outro projeto comum usa um único núcleo em forma de número "8" com um enrolamento de controle e dois enrolamentos CA, conforme mostrado na foto acima. Uma pequena corrente CC de uma fonte de baixa impedância é alimentada no enrolamento de controle. Os enrolamentos CA podem ser conectados em série ou em paralelo, as configurações resultando em diferentes tipos de amplificadores magnéticos. A quantidade de corrente de controle alimentada no enrolamento de controle define o ponto na forma de onda do enrolamento CA em que qualquer um dos núcleos saturará. Na saturação, o enrolamento CA no núcleo saturado irá de um estado de alta impedância ("desligado") para um estado de impedância muito baixa ("ligado") - isto é, a corrente de controle controla o ponto em que a tensão do mag amp muda para "on".
Uma corrente CC relativamente pequena no enrolamento de controle é capaz de controlar ou alternar grandes correntes CA nos enrolamentos CA. Isso resulta na amplificação atual.
Dois núcleos magnéticos são usados porque a corrente CA gerará alta tensão nos enrolamentos de controle. Ao conectá-los em fase oposta, os dois se cancelam, de forma que nenhuma corrente seja induzida no circuito de controle. O design alternativo mostrado acima com o núcleo em forma de "8" atinge esse mesmo objetivo magneticamente.
Forças
O amplificador magnético é um dispositivo estático sem partes móveis. Não tem mecanismo de desgaste e tem boa tolerância a choques mecânicos e vibrações. Não requer nenhum tempo de aquecimento. Vários sinais isolados podem ser somados por enrolamentos de controle adicionais nos núcleos magnéticos. Os enrolamentos de um amplificador magnético têm uma tolerância maior a sobrecargas momentâneas do que dispositivos de estado sólido comparáveis. O amplificador magnético também é usado como um transdutor em aplicações como medição de corrente e bússola de porta de fluxo . Os núcleos do reator de amplificadores magnéticos suportam extremamente bem a radiação de nêutrons. Por esta razão especial, amplificadores magnéticos têm sido usados em aplicações de energia nuclear.
Limitações
O ganho disponível em um único estágio é limitado e baixo em comparação com amplificadores eletrônicos. A resposta de frequência de um amplificador de alto ganho é limitada a cerca de um décimo da frequência de excitação, embora isso seja freqüentemente mitigado pela excitação de amplificadores magnéticos com correntes superiores à frequência de utilidade . Os amplificadores eletrônicos de estado sólido podem ser mais compactos e eficientes do que os amplificadores magnéticos. Os enrolamentos de polarização e feedback não são unilaterais e podem acoplar a energia de volta do circuito controlado para o circuito de controle. Isso complica o projeto de amplificadores de vários estágios quando comparados com dispositivos eletrônicos.
Os amplificadores magnéticos introduzem distorção harmônica substancial na forma de onda de saída, consistindo inteiramente de harmônicos ímpares. Ao contrário dos retificadores controlados de silício ou TRIACs que os substituíram, a magnitude desses harmônicos diminui rapidamente com a frequência, de modo que a interferência com dispositivos eletrônicos próximos, como receptores de rádio, é incomum.
Formulários
Os amplificadores magnéticos foram importantes como amplificadores de modulação e controle no desenvolvimento inicial da transmissão de voz por rádio. Um amplificador magnético foi usado como modulador de voz para um alternador Alexanderson de 2 quilowatts , e amplificadores magnéticos foram usados nos circuitos de chaveamento de grandes alternadores de alta frequência usados para comunicações de rádio. Amplificadores magnéticos também foram usados para regular a velocidade dos alternadores Alexanderson para manter a precisão da frequência de rádio transmitida. Amplificadores magnéticos foram usados para controlar grandes alternadores de alta potência, ligando-os e desligando-os para telegrafia ou para variar o sinal para modulação de voz. Os limites de frequência do alternador eram bastante baixos, a ponto de um multiplicador de frequência ter que ser utilizado para gerar frequências de rádio mais altas do que o alternador era capaz de produzir. Mesmo assim, os primeiros amplificadores magnéticos que incorporavam núcleos de ferro em pó eram incapazes de produzir frequências de rádio acima de aproximadamente 200 kHz. Outros materiais de núcleo, como núcleos de ferrite e transformadores preenchidos com óleo, teriam que ser desenvolvidos para permitir que o amplificador produzisse frequências mais altas.
A capacidade de controlar grandes correntes com pequena potência de controle tornou os amplificadores magnéticos úteis para o controle de circuitos de iluminação, para iluminação de palco e para painéis publicitários. Amplificadores de reator saturáveis foram usados para controle de energia para fornos industriais. Os amplificadores magnéticos como controladores de tensão CA variável foram substituídos principalmente por retificadores controlados de silício ou TRIACs . Os amplificadores magnéticos ainda são usados em alguns soldadores a arco.
Pequenos amplificadores magnéticos foram usados para indicadores de sintonia de rádio, controle de motor pequeno e velocidade do ventilador de resfriamento, controle de carregadores de bateria.
Os amplificadores magnéticos foram usados extensivamente como o elemento de comutação em fontes de alimentação de modo comutado antecipado ( SMPS ), bem como no controle de iluminação. Os comutadores de estado sólido baseados em semicondutores os substituíram em grande parte, embora recentemente tenha havido algum interesse recuperado no uso de amplificadores magnéticos em fontes de alimentação de comutação compactas e confiáveis. As fontes de alimentação PC ATX geralmente usam amplificadores magnéticos para a regulação da tensão do lado secundário. Os núcleos projetados especificamente para fontes de alimentação comutadas são atualmente fabricados por várias grandes empresas eletromagnéticas, incluindo Metglas e Mag-Inc.
Amplificadores magnéticos foram usados por locomotivas para detectar patinagem das rodas, até serem substituídos por transdutores de corrente de efeito Hall . Os cabos de dois motores de tração passaram pelo núcleo do dispositivo. Durante a operação normal, o fluxo resultante foi zero, pois as duas correntes eram iguais e em direções opostas. As correntes seriam diferentes durante o escorregamento da roda, produzindo um fluxo resultante que agia como o enrolamento de controle, desenvolvendo uma tensão através de um resistor em série com o enrolamento CA que era enviada aos circuitos de correção do escorregamento da roda.
Os amplificadores magnéticos podem ser usados para medir altas tensões DC sem conexão direta com a alta tensão e, portanto, ainda são usados na técnica HVDC . A corrente a ser medida é passada pelos dois núcleos, possivelmente por um barramento sólido. Quase não há queda de tensão neste barramento. O sinal de saída, proporcional às voltas de ampere no barramento da corrente de controle, é derivado da tensão de excitação alternada do amplificador magnético, não há tensão criada ou induzida no barramento. O sinal de saída possui apenas uma conexão magnética com o barramento, de modo que o barramento pode estar, com bastante segurança, em qualquer tensão ( EHT ) em relação à instrumentação.
Amplificadores magnéticos de instrumentação são comumente encontrados em espaçonaves onde um ambiente eletromagnético limpo é altamente desejável.
A Kriegsmarine alemã fez uso extensivo dos amplificadores magnéticos. Eles foram usados para os sistemas de elemento estável mestre, para transmissão de movimento lento para controlar armas, diretores e telêmetros e controles de trem e elevação. Os amplificadores magnéticos foram usados em sistemas de aeronaves ( aviônicos ) antes do advento dos semicondutores de alta confiabilidade. Eles foram importantes na implementação dos primeiros sistemas de autoland e o Concorde fez uso da tecnologia para o controle das entradas de ar do motor antes do desenvolvimento de um sistema usando eletrônica digital. Amplificadores magnéticos foram usados em controles de estabilizador de foguetes V2 .
Uso em computação
Os amplificadores magnéticos foram amplamente estudados durante a década de 1950 como um elemento de comutação potencial para computadores mainframe . Como os transistores, os amplificadores magnéticos eram um pouco menores do que o tubo de vácuo típico e tinham a vantagem significativa de não estarem sujeitos a "queima" e, portanto, tinham requisitos de manutenção drasticamente menores. Outra vantagem é que um único amplificador magnético poderia ser usado para somar várias entradas em um único núcleo, o que era útil na unidade lógica aritmética (ALU), pois poderia reduzir muito a contagem de componentes. Os tubos personalizados podiam fazer o mesmo, mas os transistores não, então o amplificador magnético foi capaz de combinar as vantagens dos tubos e dos transistores em uma época em que os últimos eram caros e pouco confiáveis.
Os princípios dos amplificadores magnéticos foram aplicados de forma não linear para criar portas lógicas digitais magnéticas . Essa era foi curta, durando de meados da década de 1950 até cerca de 1960, quando novas técnicas de fabricação produziram grandes melhorias nos transistores e reduziram drasticamente seu custo. Apenas uma máquina de amplificador magnético em grande escala foi colocada em produção, o UNIVAC Solid State , mas uma série de computadores contemporâneos do final dos anos 1950 / início dos anos 1960 usaram a tecnologia, como o Ferranti Sirius , Ferranti Orion e o inglês Electric KDF9 , ou o one-off MAGSTEC .
História
Desenvolvimento precoce
Uma fonte de tensão e um resistor variável conectado em série podem ser considerados como uma fonte de sinal de corrente contínua para uma carga de baixa resistência, como a bobina de controle de um reator saturável que amplifica o sinal. Assim, em princípio, um reator saturável já é um amplificador , embora antes do século 20 eles fossem usados para tarefas simples, como controlar a iluminação e maquinários elétricos já em 1885.
Em 1904, o pioneiro do rádio Reginald Fessenden fez um pedido de um alternador mecânico rotativo de alta frequência da General Electric Company, capaz de gerar CA a uma frequência de 100 kHz para ser usado para transmissão de rádio de onda contínua a grandes distâncias. O trabalho de design foi entregue ao engenheiro da General Electric Ernst F. Alexanderson, que desenvolveu o alternador Alexanderson de 2 kW . Em 1916, Alexanderson adicionou um amplificador magnético para controlar a transmissão desses alternadores rotativos para comunicação de rádio transoceânica.
As demonstrações experimentais de telegrafia e telefonia feitas durante 1917 atraíram a atenção do governo dos Estados Unidos, especialmente à luz de falhas parciais no cabo transoceânico através do Oceano Atlântico. O alternador de 50 kW foi comandado pela Marinha dos Estados Unidos e colocado em serviço em janeiro de 1918 e foi usado até 1920, quando um conjunto gerador-alternador de 200 kW foi construído e instalado.
Uso na geração de energia elétrica
Os amplificadores magnéticos foram amplamente usados na geração de energia elétrica do início dos anos 1960 em diante. Eles forneceram a pequena amplificação do sinal para a regulação automática da tensão do gerador (AVR) de um pequeno sinal de erro no nível de miliwatts (mW) até o nível de 100 quilowatts (kW). Este, por sua vez, foi convertido por uma máquina rotativa (excitatriz) para o nível de 5 megawatt (MW), a potência de excitação exigida por uma unidade geradora de turbina de usina elétrica típica de 500 MW. Eles provaram ser duráveis e confiáveis. Muitos estão registrados em serviço em meados da década de 1990 e alguns ainda estão em uso em estações geradoras mais antigas, principalmente em usinas hidrelétricas operando no norte da Califórnia.
Uso incorreto
Na década de 1970, Robert Carver projetou e produziu vários amplificadores de áudio de alta qualidade e alta potência, chamando-os de amplificadores magnéticos. Na verdade, eles eram, em muitos aspectos, designs de amplificadores de áudio convencionais com circuitos de fonte de alimentação incomuns. Eles não eram amplificadores magnéticos, conforme definido neste artigo. Eles não devem ser confundidos com amplificadores de áudio magnéticos reais, que também existem.
Veja também
Referências
- Alexanderson, EFW, "Transoceanic Radio Communication," General Electric Review , outubro de 1920, pp. 794-797.
- Cheney, Margaret, "Tesla: Man Out of Time", 1981, Nova York: Simon & Schuster, Inc.
- Chute, George M., "Magnetic Amplifiers," Electronics in Industry, 1970, Nova York: McGraw-Hill, Inc., pp. 344-351.
- Oldham, DT e Schindler, PB, "An excitation system for 500MW generators;" Turbine-Generator Engineering, AEI Turbine-Generators, Trafford Park, Manchester, 1964.
- Trinkaus, George, "The Magnetic Amplifier: A Lost Technology of the 1950s," Nuts & Volts, fevereiro de 2006, pp. 68-71.
- Trinkaus, George, editor, "Magnetic Amplifiers: Another Lost Technology," 1951: Electronics Design and Development Division, Bureau of Ships, United States Navy.