자기 증폭기

Magnetic amplifier
자기 증폭기
Magnetic Amplifier.jpg
정격 250와트로 120VAC, 60Hz에서 동작하도록 설계된 소형 자기 증폭기.큰 중앙 권선은 제어 권선입니다.

자기 증폭기(통칭 "매그 앰프")는 전기 신호를 증폭하기 위한 전자기 장치입니다.자기 증폭기는 20세기 초에 발명되었고 견고성과 고전류 용량이 요구되는 진공관 증폭기의 대안으로 사용되었습니다.제2차 세계 대전 독일은 이런 종류의 증폭기를 완성했고, 그것은 V-2 로켓에 사용되었다.자기 증폭기는 1947년부터 [1]트랜지스터가 이를 대체하기 시작한 약 1957년까지 전력 제어 및 저주파 신호 적용에서 가장 두드러졌습니다.이제 마그네틱 앰프는 안전에 중요하거나 신뢰성이 높거나 매우 까다로운 몇 가지 용도를 제외하고 트랜지스터 기반 앰프로 대체되었습니다.트랜지스터와 마그암프 기술의 조합은 여전히 사용됩니다.

작동 원리

자기 증폭기의 원리를 나타내는 가포화 반응기

mag amp 장치는 시각적으로 변압기와 유사할 수 있지만 작동 원리는 변압기와 상당히 다릅니다. 즉, mag amp는 기본적으로 포화 반응기입니다.특정 등급의 변압기 코어의 비선형 특성인 코어의 자기 포화도를 사용합니다.제어된 포화 특성을 위해 자기 증폭기는 일반 변압기에서 자주 사용되는 완만한 포화 코어 재료의 느린 B-H 곡선과 대조적으로 매우 직사각형인 특정 B-H 곡선 형태를 갖도록 설계된 코어 재료를 사용합니다.

일반적인 자기 증폭기는 물리적으로 분리되어 있지만 유사한 두 개의 변압기 자기 코어로 구성되어 있으며, 각 코어는 제어 권선과 AC 권선의 두 개의 권선을 가지고 있습니다.또 다른 공통 설계는 위의 사진과 같이 1개의 제어 권선과 2개의 AC 권선이 있는 숫자 "8"과 같은 모양의 단일 코어를 사용합니다.저임피던스 전원으로부터의 소량의 직류 전류를 제어 권선에 공급한다.AC 권선은 직렬 또는 병렬로 연결하여 다양한 유형의 마그암페어를 발생시킬 수 있습니다.제어 권선에 공급되는 제어 전류의 양은 AC 권선의 어느 한쪽 코어가 포화되는 지점을 설정합니다.포화 상태에서는 포화 코어의 AC 권선이 고임피던스 상태("off")에서 매우 저임피던스 상태("On")로 바뀝니다. 즉, 제어 전류는 마그암페어가 "켜지는" 지점을 제어합니다.

제어 권선의 비교적 작은 DC 전류는 AC 권선의 큰 AC 전류를 제어하거나 전환할 수 있습니다.그러면 전류 증폭이 발생합니다.

AC 전류가 제어 권선에서 고전압을 생성하기 때문에 두 개의 자기 코어가 사용됩니다.서로 반대상으로 접속함으로써 서로 상쇄되므로 제어회로에 전류가 유도되지 않는다.위에 표시된 "8" 모양의 코어를 사용한 대체 설계는 동일한 목적을 자기적으로 달성합니다.

힘

자기 증폭기는 움직이는 부품이 없는 정적 장치입니다.마모 메커니즘이 없으며 기계적 충격 및 진동에 대한 내구성이 우수합니다.워밍업 시간이 [2]필요 없습니다.복수의 절연 신호는 자기 코어에 대한 추가 제어 권선으로 합산할 수 있습니다.자기 증폭기의 권선은 동등한 솔리드 스테이트 소자보다 순간적인 과부하에 대한 내성이 높습니다.자기 증폭기는 전류 측정 및 플럭스 게이트 나침반과 같은 응용 분야에서도 변환기로 사용됩니다.자기 증폭기의 원자로 노심은 중성자 방사선에 매우 [3]잘 견딘다.이러한 특별한 이유로 원자력 분야에는 [4]자기 증폭기가 사용되어 왔다.

제한 사항

단일 스테이지에서 얻을 수 있는 이득은 전자 증폭기에 비해 제한적이고 낮습니다.고이득 증폭기의 주파수 응답은 여자 주파수의 약 10분의 1로 제한되지만, 이는 종종 효용 [1]주파수보다 높은 전류를 가진 여자 자기 증폭기에 의해 완화된다.고체 전자 증폭기는 자기 증폭기보다 더 작고 효율적일 수 있습니다.바이어스 및 피드백 권선은 일방적이지 않으며 제어 회로에서 제어 회로로 에너지를 다시 결합할 수 있습니다.다단 증폭기 설계는 전자기기에 [1]비해 복잡하다.

약 50% 채도의 자기 증폭기 출력 파형(자색).입력(노란색)은 120VAC 60Hz입니다.
자기 증폭기 출력 파형 주파수 스펙트럼

자기 증폭기는 전체적으로 홀수 고조파로 구성된 출력 파형에 상당한 고조파 왜곡을 가져옵니다.실리콘 제어 정류기 또는 TRIAC를 대체한 것과 달리, 이러한 고조파의 크기는 주파수에 따라 급격히 감소하기 때문에 라디오 수신기 등의 주변 전자 장치와의 간섭은 거의 없습니다.

적용들

자기 증폭기는 [2]무선에 의한 음성 전송의 초기 개발에서 변조 및 제어 증폭기로 중요했다.자기 증폭기는 2킬로와트 알렉산더슨 교류 발전기의 음성 변조기로 사용되었고, 자기 증폭기는 무선 통신에 사용되는 대형 고주파 교류 발전기의 키 입력 회로에 사용되었다.송신된 무선 [2]주파수의 정확도를 유지하기 위해 Alexanderson 교류 발전기의 속도를 조절하기 위해 자기 증폭기도 사용되었습니다.자기 증폭기는 전신을 위해 큰 고출력 교류 발전기를 켜고 끄고 음성 변조를 위해 신호를 변화시키는 데 사용되었다.교류 발전기의 주파수 한계는 교류 발전기가 생산할 수 있는 것보다 더 높은 무선 주파수를 생성하기 위해 주파수 곱셈기를 사용해야 하는 지점까지 다소 낮았습니다.그럼에도 불구하고, 분말 철 코어를 포함하는 초기 자기 증폭기는 약 200 kHz 이상의 무선 주파수를 생성할 수 없었다.증폭기가 더 높은 주파수를 생산할 수 있도록 하려면 페라이트 코어 및 오일 충전 변압기와 같은 다른 핵심 재료를 개발해야 합니다.

작은 제어 전력으로 큰 전류를 제어할 수 있는 능력은 자기 증폭기를 조명 회로, 무대 조명 및 간판 광고에 유용하게 만들었습니다.산업용 [2]용해로의 전력 제어를 위해 포화형 원자로 증폭기가 사용되었습니다.가변 AC 전압 컨트롤러로서의 자기 증폭기는 대부분 실리콘 제어 정류기(TRIAC)로 대체되었습니다.일부 아크 용접기에는 여전히 자기 증폭기가 사용됩니다.

소형 자기 증폭기는 라디오 튜닝 인디케이터, 소형 모터 및 냉각 팬 속도 제어, 배터리 충전기 제어에 사용되었습니다.

자기 증폭기는 조명 제어뿐만 아니라 조기 스위치 모드(SMPS) 전원 [5]공급 장치에서도 스위칭 소자로 광범위하게 사용되었습니다.반도체 기반의 솔리드 스테이트 스위치가 그 대부분을 대체하고 있지만, 최근에는 컴팩트하고 신뢰성 높은 스위칭 전원에 마그암페어를 사용하는 것에 대한 관심이 회복되고 있습니다.PC ATX 전원장치에서는 종종 보조 측 전압 조절에 마그암페어를 사용합니다.스위치 모드 전원 장치용으로 특별히 설계된 코어는 현재 Metglas 및 Mag-Inc를 포함한 여러 대형 전자기학 회사가 제조하고 있습니다.

자기 증폭기는 홀 효과 전류 변환기로 대체되기 전까지 기관차에 의해 휠 슬립을 감지하기 위해 사용되었습니다.두 개의 견인 모터에서 나온 케이블은 장치의 코어를 통과했습니다.정상 작동 중에는 두 전류가 동일하고 반대 방향으로 흐르기 때문에 결과 플럭스는 0이었습니다.전류는 휠 슬립 중에 달라지며, 결과적으로 컨트롤 권선으로 작동하는 플럭스가 생성되어 휠 슬립 보정 회로로 전송되는 AC 권선과 직렬로 저항을 가로질러 전압이 발생합니다.

자기 증폭기는 고전압에 직접 연결하지 않고 높은 DC 전압을 측정하는 데 사용할 수 있으므로 HVDC 기술에서도 여전히 사용됩니다.측정할 전류는 2개의 코어를 통과하며, 아마도 솔리드 버스 바에 의해 통과됩니다.이 버스바에는 거의 전압 강하가 없습니다.컨트롤 전류 버스바의 암페어 회전에 비례하는 출력 신호는 자기 앰프의 교류 여자 전압에서 파생되며, 버스 바에 전압이 생성되거나 유도되지 않습니다.출력 신호는 버스 바와의 자기 연결만 이루어지므로 버스는 계측기에 대한 모든(EHT) 전압에서 매우 안전하게 작동할 수 있습니다.

계측용 자기 증폭기는 깨끗한 전자파 환경이 [citation needed]매우 바람직한 우주선에서 흔히 볼 수 있습니다.

독일 해군은 자기 증폭기를 광범위하게 사용했다.이들은 주안정소자 시스템, 총기, 국장 및 거리탐지기 제어용 저속 이동 전송, 열차 및 고도 제어에 사용되었습니다.자기 증폭기는 고신뢰성 반도체가 등장하기 전에 항공기 시스템(항공전자)에 사용되었다.그들은 초기 오토랜드 시스템을 구현하는 데 중요했고, 콩코드는 디지털 전자 제품을 사용하는 시스템을 개발하기 전에 엔진 공기 흡입구를 제어하는 기술을 사용했습니다.자기 증폭기는 V2 로켓의 안정기 제어에 사용되었다.

컴퓨팅에서의 사용법

자기 증폭기는 메인프레임 컴퓨터의 잠재적 스위칭 소자로 1950년대에 널리 연구되었습니다.트랜지스터와 마찬가지로 마그암페어는 일반적인 진공관보다 다소 작아서 "소각"되기 쉽고 유지 보수 요건이 현저히 낮다는 큰 이점이 있었습니다.또 다른 장점은 단일 mag amp를 사용하여 단일 코어의 여러 입력을 합산할 수 있다는 것입니다. 이는 구성 요소 수를 크게 줄일 수 있기 때문에 산술 로직 유닛(ALU)에서 유용했습니다.커스텀 튜브도 같은 기능을 할 수 있었지만 트랜지스터는 할 수 없었기 때문에 마그 앰프는 튜브와 트랜지스터의 장점을 결합할 수 있었습니다.

자기 증폭기의 원리는 자기 디지털 논리 게이트를 만들기 위해 비선형적으로 적용되었다.그 시대는 1950년대 중반부터 1960년대까지 지속되어 트랜지스터의 대폭적인 개선과 대폭적인 비용 절감을 실현한 새로운 제작 기술이 등장할 때까지의 짧은 기간이었습니다.UNIVAC Solid State라는 하나의 대형 Mag Amp 머신만이 실전에 투입되었지만, Feranti Sirius, Feranti Orion 및 English Electric KDF9 또는 일회성 MAGSTEC와 같은 많은 1950년대 후반/1960년대 초반의 컴퓨터들이 이 기술을 사용했습니다.

역사

초기 개발

전압원 및 직렬접속 가변저항은 신호를 증폭하는 가포화반응기의 제어코일과 같은 저저항부하의 직류신호원으로 간주할 수 있다.따라서,[6][7][8] 20세기 이전에는 1885년부터 조명과 전기 기계를 제어하는 것과 같은 간단한 작업에 사용되었지만, 원칙적으로 포화 원자로는 이미 증폭기이다.

1904년 전파의 선구자 레지날드 페센든은 100kHz의 주파수로 AC를 발생시킬 수 있는 General Electric Company로부터 장거리 [9][10]연속 전파 전송에 사용할 수 있는 고주파 회전식 기계 교류 발전기를 주문했다.설계 업무는 제너럴 일렉트릭 엔지니어 Ernst F.에게 주어졌습니다.2kW 알렉산더슨 교류 발전기를 개발한 알렉산더슨입니다.1916년까지 알렉산더슨은 대양 횡단 무선 [11][12]통신을 위한 이러한 회전식 교류 발전기의 전송을 제어하는 자기 증폭기를 추가했다.

1917년에 행해진 실험적인 전신 및 전화 시연은 특히 대서양을 가로지르는 대양 횡단 케이블의 부분적인 고장 때문에 미국 정부의 관심을 끌었다.50kW 교류 발전기는 미 해군에 의해 징발되어 1918년 1월에 사용되었고 200kW 발전기-교류 발전기 세트가 제작되어 설치되는 1920년까지 사용되었다.

발전에서의 용도

자기 증폭기는 1960년대 초부터 발전에서 광범위하게 사용되었다.이들은 발전기 자동 전압 조절(AVR)을 위한 작은 신호 증폭을 밀리 와트(mW) 수준에서 100 킬로 와트(kW) 수준으로 제공했습니다.이는 회전 기계(여진기)에 의해 5메가와트(MW) 레벨로 변환되었으며, 이는 일반적인 500MW 발전소 터빈 발전기에 필요한 여진 전력입니다.내구성과 신뢰성이 입증되었습니다.대부분은 1990년대 중반까지 가동되고 있으며, 일부는 오래된 발전소, 특히 북부 캘리포니아에서 가동되는 수력발전소에서 여전히 사용되고 있다.

오용도

스웨덴 엔지니어 라스 룬달에 의해 설계된 실제 자기 오디오 앰프는 최종 전력 증폭 단계에서 포화 원자로를 사용합니다.

1970년대에 Robert Carver는 자기 증폭기라고 불리는 고품질 고출력 오디오 앰프를 여러 개 설계하고 생산했습니다.사실, 그들은 대부분의 면에서 비정상적인 전원 공급 회로를 가진 기존의 오디오 앰프 설계였습니다.이 기사에서 정의한 바와 같이 자기 증폭기가 아니었습니다.또한 존재하는 실제 자기 오디오 앰프와 혼동해서는 안 됩니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b c Westman, H.P. (1968). "Ch. 14". Reference Data for Radio Engineers (5th ed.). H. W. Sams. ISBN 9780672206788. LCCN 43-14665. OCLC 0672206781.
  2. ^ a b c d Storm, H.F. (1955). Magnetic Amplifiers. Wiley. p. 383. hdl:2027/pst.000030030824. OCLC 895109162.
  3. ^ Lynn, Gordon E.; Pula, Thaddeus J.; Ringelman, John F.; Timmel, Frederick G. (1960). "Effects on Nuclear Radiation on Magnetic Materials". Self-saturating Magnetic Amplifiers. New York: McGraw-Hill. LCCN 60-6979. The nature of ferromagnetic materials results in far less damage from nuclear radiation than is done to semiconductor materials. … One study devoted to the problem indicates that the major damage to core material suitable for self-saturating magnetic amplifiers consists of loss of loop rectangularity and increased dynamic coercive force. This study was made at a total integrated neutron flux of 2.7 ✕ neutrons/.
  4. ^ Gilmore, Ken (July 1960). "Magnetic Amplifiers – how they work and what they do" (PDF). Popular Electronics. 13 (1): 71–75, 109. Retrieved 2014-10-20. The electronic watchdogs that keep the Triton's powerful nuclear plant operating without a hitch are magnetic amplifiers – almost hundred of them are used for this critical job.
  5. ^ Pressman, Abraham I. (1997). Switching Power Supply Design. McGraw-Hill. ISBN 0-07-052236-7.
  6. ^ Electronics Design and Development Division (May 1954) [1951]. "History". Magnetic Amplifiers – A Rising Star in Naval Electronics. Washington, D.C.: Bureau of Ships, Department of the Navy. p. 2. NAVSHIPS 900,172. The magnetic amplifier is not new – the principles of the saturable core control were used in electrical machinery as early as 1885 although they were not identified as such.
  7. ^ Mali, Paul (August 1960). "Introduction" (PDF). Magnetic Amplifiers – Principles and Applications. New York: John F. Rider Publisher. p. 1. Library of Congress Catalog Number 60-12440. Archived from the original (PDF) on 2006-11-14. Retrieved 2010-09-19. Magnetic amplifiers were developed as early as 1885 in the United States. At that time they were known as saturable reactors and were used primarily in electrical machinery and in theater lighting.
  8. ^ Kemp, Barron (August 1962). "Magnetic Amplifiers". Fundamentals of Magnetic Amplifiers. H. W. Sams. p. 7. LCCN 62-19650. The use of magnetic forces for amplification is not new; a survey of its history shows that although the device was not known as a magnetic amplifier at the time, it was used in electrical machinery as early as 1885.
  9. ^ "Ernst F. Alexanderson, The accomplishments and life of E. F. Alexanderson, 1878–1975". Edison Tech Center. 2014.
  10. ^ 마일스톤:알렉산더슨 라디오 교류 발전기, 1904년
  11. ^ Wilson, Thomas G. (1999). "The Evolution of Power Electronics". Fourteenth Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1999. APEC '99. Vol. 1. pp. 3–9. doi:10.1109/APEC.1999.749482. ISBN 978-0-7803-5160-8. S2CID 117592132.
  12. ^ 트링카우스 2006

외부 링크

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