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Amplificador magnético

El amplificador magnético (conocido coloquialmente como "mag amp") es un dispositivo electromagnético para amplificar señales eléctricas. Inventado a principios del siglo XX, se...

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El amplificador magnético (conocido coloquialmente como "mag amp") es un dispositivo electromagnético para amplificar señales eléctricas. Inventado a principios del siglo XX, se utilizó como alternativa a los amplificadores de válvulas en aplicaciones que requerían robustez y alta capacidad de corriente. Durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania perfeccionó este tipo de amplificador, que se empleó en el cohete V-2 . El amplificador magnético tuvo un papel destacado en el control de potencia y en aplicaciones de señales de baja frecuencia desde 1947 hasta aproximadamente 1957, cuando el transistor comenzó a reemplazarlo. [ 1 ] Actualmente, el amplificador basado en transistores ha sustituido en gran medida al amplificador magnético, salvo en algunas aplicaciones críticas de seguridad, de alta fiabilidad o extremadamente exigentes. Aún se utilizan combinaciones de técnicas de transistores y amplificadores magnéticos.

Principio de funcionamiento

Un reactor saturable que ilustra el principio de un amplificador magnético.

Visualmente, un amplificador magnético puede parecerse a un transformador , pero su principio de funcionamiento es muy diferente: esencialmente, el amplificador magnético es un reactor saturable . Aprovecha la saturación magnética del núcleo, una propiedad no lineal de cierta clase de núcleos de transformadores. Para lograr características de saturación controladas, el amplificador magnético emplea materiales de núcleo diseñados para tener una curva BH específica , altamente rectangular, a diferencia de la curva BH de disminución gradual de los materiales de núcleo de saturación suave que se utilizan habitualmente en los transformadores convencionales.

El amplificador magnético típico consta de dos núcleos magnéticos de transformador físicamente separados pero similares , cada uno con dos bobinados: un bobinado de control y un bobinado de CA. Otro diseño común utiliza un solo núcleo con forma de "8" con un bobinado de control y dos bobinados de CA, como se muestra en la foto anterior. [ 2 ] Una pequeña corriente continua proveniente de una fuente de baja impedancia se alimenta al bobinado de control. Los bobinados de CA pueden conectarse en serie o en paralelo, lo que da lugar a diferentes tipos de amplificadores magnéticos. La cantidad de corriente de control alimentada al bobinado de control determina el punto en la forma de onda del bobinado de CA en el que cualquiera de los núcleos se satura. En la saturación, el bobinado de CA del núcleo saturado pasa de un estado de alta impedancia ("apagado") a un estado de muy baja impedancia ("encendido"); es decir, la corriente de control controla el punto de voltaje en el que el amplificador magnético se "enciende".

Una corriente continua relativamente pequeña en el devanado de control es capaz de controlar o conmutar grandes corrientes alternas en los devanados de corriente alterna. Esto produce una amplificación de la corriente.

Se utilizan dos núcleos magnéticos porque la corriente alterna generará un alto voltaje en los devanados de control. Al conectarlos en fase opuesta, ambos se cancelan mutuamente, de modo que no se induce corriente en el circuito de control. El diseño alternativo mostrado arriba, con el núcleo en forma de "8", logra este mismo objetivo mediante el magnetismo.

Fortalezas

El amplificador magnético es un dispositivo estático sin partes móviles. No tiene mecanismo de desgaste y presenta una buena tolerancia a los golpes y vibraciones mecánicas. No requiere tiempo de calentamiento. [ 3 ] Varias señales aisladas pueden sumarse mediante bobinados de control adicionales en los núcleos magnéticos. Los bobinados de un amplificador magnético tienen una mayor tolerancia a las sobrecargas momentáneas que los dispositivos de estado sólido comparables. El amplificador magnético también se utiliza como transductor en aplicaciones como la medición de corriente y la brújula de puerta de flujo . Los núcleos de los reactores de los amplificadores magnéticos resisten extremadamente bien la radiación de neutrones. [ 4 ] Por esta razón especial, los amplificadores magnéticos se han utilizado en aplicaciones de energía nuclear. [ 5 ]

Limitaciones

La ganancia disponible en una sola etapa es limitada y baja en comparación con los amplificadores electrónicos. La respuesta en frecuencia de un amplificador de alta ganancia se limita a aproximadamente una décima parte de la frecuencia de excitación, aunque esto suele mitigarse excitando los amplificadores magnéticos con corrientes superiores a la frecuencia de la red eléctrica . [ 1 ] Los amplificadores electrónicos de estado sólido pueden ser más compactos y eficientes que los amplificadores magnéticos. Los devanados de polarización y retroalimentación no son unilaterales y pueden acoplar energía del circuito controlado al circuito de control. Esto complica el diseño de amplificadores multietapa en comparación con los dispositivos electrónicos. [ 1 ]

Forma de onda de salida del amplificador magnético (violeta) con una saturación de aproximadamente el 50%. La entrada (amarilla) es de 120 V CA a 60 Hz.
espectro de frecuencia de la forma de onda de salida del amplificador magnético

Los amplificadores magnéticos introducen una distorsión armónica considerable en la forma de onda de salida, compuesta enteramente por armónicos impares. A diferencia de los rectificadores controlados de silicio o TRIAC que los reemplazaron, la magnitud de estos armónicos disminuye rápidamente con la frecuencia, por lo que la interferencia con dispositivos electrónicos cercanos, como receptores de radio, es poco común.

Aplicaciones

Los amplificadores magnéticos fueron importantes como amplificadores de modulación y control en el desarrollo inicial de la transmisión de voz por radio. [ 3 ] Se utilizó un amplificador magnético como modulador de voz para un alternador Alexanderson de 2 kilovatios , y también se emplearon amplificadores magnéticos en los circuitos de conmutación de grandes alternadores de alta frecuencia utilizados para las radiocomunicaciones. Los amplificadores magnéticos también se utilizaron para regular la velocidad de los alternadores Alexanderson y mantener la precisión de la radiofrecuencia transmitida. [ 3 ] Los amplificadores magnéticos se utilizaron para controlar grandes alternadores de alta potencia, encendiéndolos y apagándolos para la telegrafía o para variar la señal de modulación de voz. Los límites de frecuencia del alternador eran bastante bajos, por lo que se tuvo que utilizar un multiplicador de frecuencia para generar radiofrecuencias más altas que las que el alternador era capaz de producir. Aun así, los primeros amplificadores magnéticos con núcleos de hierro en polvo eran incapaces de producir radiofrecuencias superiores a aproximadamente 200  kHz. Fue necesario desarrollar otros materiales para el núcleo, como núcleos de ferrita y transformadores llenos de aceite, para que el amplificador pudiera producir frecuencias más altas.

La capacidad de controlar grandes corrientes con poca potencia de control hizo que los amplificadores magnéticos fueran útiles para el control de circuitos de iluminación, iluminación escénica y letreros publicitarios. Los amplificadores de reactor saturable se utilizaron para el control de potencia en hornos industriales. [ 3 ] Los amplificadores magnéticos como controladores de voltaje de CA variable han sido reemplazados en su mayoría por rectificadores controlados de silicio o TRIAC . Los amplificadores magnéticos todavía se utilizan en algunas soldadoras de arco.

Se utilizaron pequeños amplificadores magnéticos para los indicadores de sintonización de radio, el control de la velocidad de pequeños motores y ventiladores de refrigeración, y el control de los cargadores de baterías.

Los amplificadores magnéticos se utilizaron ampliamente como elemento de conmutación en las primeras fuentes de alimentación conmutadas ( SMPS ) [ 6 ] , así como en el control de iluminación. Los interruptores de estado sólido basados ​​en semiconductores los han reemplazado en gran medida, aunque recientemente ha resurgido cierto interés en el uso de amplificadores magnéticos en fuentes de alimentación conmutadas compactas y fiables. Las fuentes de alimentación ATX para PC suelen utilizar amplificadores magnéticos para la regulación de la tensión del lado secundario. Actualmente, varias grandes empresas de electromagnetismo, como Metglas y Mag-Inc., fabrican núcleos diseñados específicamente para fuentes de alimentación conmutadas.

Las locomotoras utilizaban amplificadores magnéticos para detectar el deslizamiento de las ruedas, hasta que fueron reemplazados por transductores de corriente de efecto Hall . Los cables de dos motores de tracción pasaban por el núcleo del dispositivo. En condiciones normales de funcionamiento, el flujo resultante era cero, ya que ambas corrientes eran iguales y en direcciones opuestas. Durante el deslizamiento de las ruedas, las corrientes diferían, generando un flujo resultante que actuaba como bobina de control, desarrollando una tensión en una resistencia en serie con la bobina de CA, la cual se enviaba a los circuitos de corrección del deslizamiento.

Los amplificadores magnéticos permiten medir altos voltajes de CC sin conexión directa a la alta tensión, por lo que aún se utilizan en la tecnología HVDC . La corriente a medir circula entre los dos núcleos, posiblemente mediante una barra conductora sólida. En esta barra conductora prácticamente no hay caída de tensión . La señal de salida, proporcional a las ampervueltas de la barra conductora de corriente de control, se deriva de la tensión de excitación alterna del amplificador magnético; no se genera ni se induce ninguna tensión en la barra conductora. La señal de salida solo tiene una conexión magnética con la barra conductora, por lo que esta puede estar, con total seguridad, a cualquier tensión ( EHT ) con respecto a la instrumentación.

Los amplificadores magnéticos de instrumentación se encuentran habitualmente en naves espaciales, donde un entorno electromagnético limpio es sumamente deseable.

La Kriegsmarine alemana hizo un uso extensivo de los amplificadores magnéticos. Se emplearon en los sistemas de elementos estables maestros, en la transmisión de movimiento lento para el control de cañones, directores y telémetros, así como en los controles de elevación y tren de aterrizaje. Los amplificadores magnéticos se utilizaron en sistemas aeronáuticos ( aviónica ) antes de la llegada de los semiconductores de alta fiabilidad. Fueron importantes en la implementación de los primeros sistemas de aterrizaje automático , y el Concorde utilizó esta tecnología para el control de las tomas de aire de sus motores antes del desarrollo de un sistema con electrónica digital . Los amplificadores magnéticos también se emplearon en los controles de estabilización de los cohetes V2 .

Uso en informática

Los amplificadores magnéticos fueron ampliamente estudiados durante la década de 1950 como un posible elemento de conmutación para las computadoras centrales . Al igual que los transistores, los amplificadores magnéticos eran algo más pequeños que las típicas válvulas de vacío y presentaban la importante ventaja de no estar sujetos a "quemarse", lo que requería un mantenimiento mucho menor. Otra ventaja era que un solo amplificador magnético podía utilizarse para sumar varias entradas en un solo núcleo, lo cual resultaba útil en la unidad aritmético-lógica (ALU), ya que podía reducir considerablemente el número de componentes. Las válvulas personalizadas podían hacer lo mismo, pero los transistores no, por lo que el amplificador magnético logró combinar las ventajas de las válvulas y los transistores en una época en la que estos últimos eran caros y poco fiables.

Los principios de los amplificadores magnéticos se aplicaron de forma no lineal para crear compuertas lógicas digitales magnéticas . Esa época fue breve, desde mediados de la década de 1950 hasta aproximadamente 1960, cuando las nuevas técnicas de fabricación produjeron grandes mejoras en los transistores y redujeron drásticamente su costo. Solo se produjo una máquina de amplificador magnético a gran escala, la UNIVAC Solid State , pero varias computadoras contemporáneas de finales de la década de 1950 y principios de la de 1960 utilizaron esta tecnología, como la Ferranti Sirius , la Ferranti Orion y la English Electric KDF9 , o la única MAGSTEC . [ 7 ]

Historia

Desarrollo temprano

Una fuente de tensión y una resistencia variable conectadas en serie pueden considerarse una fuente de señal de corriente continua para una carga de baja resistencia, como la bobina de control de un reactor saturable que amplifica la señal. Por lo tanto, en principio, un reactor saturable es ya un amplificador , aunque antes del siglo XX se utilizaban para tareas sencillas, como el control de la iluminación y la maquinaria eléctrica ya en 1885. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]

En 1904, el pionero de la radio Reginald Fessenden encargó a General Electric un alternador mecánico rotativo de alta frecuencia capaz de generar corriente alterna a una frecuencia de 100  kHz para su uso en la transmisión de radio de onda continua a grandes distancias. [ 11 ] [ 12 ] El diseño se le asignó al ingeniero de General Electric Ernst F. Alexanderson, quien desarrolló el alternador Alexanderson  de 2 kW . En 1916, Alexanderson añadió un amplificador magnético para controlar la transmisión de estos alternadores rotativos para la comunicación radiofónica transoceánica. [ 13 ] [ 14 ]

Las demostraciones experimentales de telegrafía y telefonía realizadas en 1917 atrajeron la atención del gobierno estadounidense, especialmente a raíz de las fallas parciales en el cable transoceánico que cruzaba el océano Atlántico. El  alternador de 50 kW fue requisado por la Armada de los Estados Unidos y puesto en servicio en enero de 1918, utilizándose hasta 1920, año en que  se construyó e instaló un grupo electrógeno-alternador de 200 kW.

Uso en la generación de energía eléctrica

Los amplificadores magnéticos se utilizaron ampliamente en la generación de energía eléctrica desde principios de la década de 1960. Proporcionaban la amplificación de señales pequeñas para la regulación automática de voltaje (AVR) de los generadores, transformando una pequeña señal de error del orden de milivatios (mW) a 100  kilovatios (kW). Esta señal, a su vez, era convertida por una máquina rotativa (excitador) a 5  megavatios (MW), la potencia de excitación requerida por una  unidad turbogeneradora típica de una central eléctrica de 500 MW. Demostraron ser duraderos y fiables. Muchos estuvieron en servicio hasta mediados de la década de 1990 y algunos aún se utilizan en centrales generadoras antiguas, especialmente en centrales hidroeléctricas del norte de California.

Usos de nombres inapropiados

Un amplificador de audio magnético real , diseñado por el ingeniero sueco Lars Lundahl, utiliza reactores saturables en su etapa final de amplificación de potencia.

En la década de 1970, Robert Carver diseñó y fabricó varios amplificadores de audio de alta calidad y potencia, a los que denominó amplificadores magnéticos. En realidad, en la mayoría de los aspectos, se trataba de diseños convencionales de amplificadores de audio con circuitos de alimentación poco convencionales. No eran amplificadores magnéticos según la definición de este artículo. No deben confundirse con los verdaderos amplificadores de audio magnéticos.

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 Westman, HP (1968). "Cap. 14". Datos de referencia para ingenieros de radio (5.ª  ed.). HW Sams. ISBN 9780672206788. LCCN 43-14665 . OCLC 0672206781 .  
  2. ↑ Mali, Paul (1960). Amplificadores magnéticos: principios y aplicaciones . Nueva York: John F. Rider Publisher, Inc. pág. 34. 
  3. 1 2 3 4 Storm, HF (1955). Amplificadores magnéticos . Publicación fotográfica de Howard W. Sams; FMA-1. Wiley. pág. 383. hdl : 2027/pst.000030030824 . OCLC 895109162 .  
  4. ↑ Lynn, Gordon E.; Pula, Thaddeus J.; Ringelman, John F.; Timmel, Frederick G. (1960). "Efectos de la radiación nuclear en materiales magnéticos". Amplificadores magnéticos auto-saturantes . Nueva York: McGraw-Hill. LCCN 60-6979 . La naturaleza de los materiales ferromagnéticos produce mucho menos daño por radiación nuclear que el que sufren los materiales semiconductores . … Un estudio dedicado al problema indica que el daño principal al material del núcleo adecuado para amplificadores magnéticos auto-saturantes consiste en la pérdida de rectangularidad del bucle y el aumento de la fuerza coercitiva dinámica. Este estudio se realizó con un flujo de neutrones integrado total de 2,7 Å. 1018{\displaystyle 10^{18}}neutrones/dometro2{\displaystyle cm^{2}}.
  5. ↑ Gilmore, Ken (julio de 1960). "Amplificadores magnéticos: cómo funcionan y qué hacen" (PDF) . Popular Electronics . 13 (1): 71–75 , 109. Recuperado el 20 de octubre de 2014. Los sistemas de control electrónico que mantienen en funcionamiento sin problemas la potente central nuclear de Triton son amplificadores magnéticos; casi un centenar de ellos se utilizan para esta tarea crítica.
  6. ↑ Pressman, Abraham I. (1997). Switching Power Supply Design . McGraw-Hill. ISBN 0-07-052236-7.
  7. ↑ C. Marshall (1956). La computadora MAGSTEC (Informe técnico). Oficina de Buques de la Armada de los Estados Unidos. Una computadora magnética de propósito especial diseñada para demostrar la viabilidad de las compuertas lógicas de amplificador magnético.
  8. ↑ División de Diseño y Desarrollo Electrónico (mayo de 1954) [1951]. "Historia". Amplificadores magnéticos: una estrella en ascenso en la electrónica naval . Washington, DC: Oficina de Buques, Departamento de la Marina. pág. 2. NAVSHIPS 900,172. El amplificador magnético no es nuevo: los principios del control de núcleo saturable se utilizaron en maquinaria eléctrica ya en 1885, aunque no se identificaron como tales. 
  9. ↑ Mali, Paul (agosto de 1960). "Introducción" (PDF) . Amplificadores magnéticos: principios y aplicaciones . Nueva York: John F. Rider Publisher. pág. 1. Número de catálogo de la Biblioteca del Congreso 60-12440. Archivado del original (PDF) el 14 de noviembre de 2006. Recuperado el 19 de septiembre de 2010. Los amplificadores magnéticos se desarrollaron ya en 1885 en los Estados Unidos. En ese momento se les conocía como reactores saturables y se utilizaban principalmente en maquinaria eléctrica y en iluminación teatral. 
  10. ↑ Kemp, Barron (agosto de 1962). "Amplificadores magnéticos". Fundamentos de los amplificadores magnéticos . HW Sams. pág. 7. LCCN 62-19650 . El uso de fuerzas magnéticas para la amplificación no es nuevo; un repaso de su historia muestra que, si bien el dispositivo no se conocía como amplificador magnético en aquel entonces, se utilizaba en maquinaria eléctrica ya en 1885.  
  11. ↑ "Ernst F. Alexanderson, Los logros y la vida de EF Alexanderson, 1878–1975" . Edison Tech Center. 2014.
  12. ^ Hitos:Alternador de radio Alexanderson, 1904
  13. ↑ Wilson, Thomas G. (1999). "La evolución de la electrónica de potencia". Decimocuarta Conferencia y Exposición Anual de Electrónica de Potencia Aplicada, 1999. APEC '99 . Vol. 1. págs. 3–9 . doi : 10.1109/APEC.1999.749482 . ISBN   978-0-7803-5160-8. S2CID 117592132 . 
  14. ↑ Trinkaus 2006
  • Alexanderson, EFW (octubre de 1920). "Comunicación radiofónica transoceánica". General Electric Review : 794–7 .
  • Chute, George M. (1971). «Amplificadores magnéticos». Electrónica en la industria (4.ª  ed.). McGraw-Hill. págs. 344–351 . ISBN  9780070109322OCLC 993285313​​ 
  • Oldham, DT; Schindler, PB (1964). "Un sistema de excitación para generadores de 500 MW". Ingeniería de turbinas y generadores . Trafford Park, Manchester: AEI Turbine-Generators.
  • Trinkaus, George (febrero de 2006). "El amplificador magnético: una tecnología perdida de la década de 1950" . Nuts & Volts : 68–71 .
  • Trinkaus, George, ed. (2000). Amplificadores magnéticos: otra tecnología perdida . High Voltage Press. ISBN 9780970961853.
  • Personal del Departamento de la Marina de los EE. UU. (2000). Trinkaus, George (ed.). Bibliografía de amplificadores magnéticos: Un suplemento a Amplificadores magnéticos, otra tecnología perdida . High Voltage Press. ISBN 9780970961860.
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  • Steiner, Nyle (octubre de 2009). "Amplificadores magnéticos caseros" .