Magnetvõimendi

Allikas: Vikipeedia

Magnetvõimendi on elektrivoolu tugevuse, pinge või võimsuse võimendi, mille talitlus põhineb ferromagnetsüdamike magneetumisomaduste mittelineaarsusel. Magnetvõimendi patenteeriti 20. sajandi alguses[1]. Algselt palju kasutust militaar-, lennundus- ja merendusvaldkonnas leidnud võimendi on tänapäevaks aga asendunud väiksemate ja efektiivsemate tehnoloogiatega. Sellele vaatamata on magnetvõimendit kerge ehitada ning on küllaltki ohutu ja töökindel.[2]

Magnetvõimendi tööpõhimõte[muuda | redigeeri lähteteksti]

Magnetvõimendi tööpõhimõte põhineb ferromagneetilise südamiku, mis ühtlasi moodustab magnetilise ahela kahe elektriahela vahel, küllastusnähtusel.[3][4] Magnetvälja jõujoontel on palju lihtsam liikuda läbi ferromagneetilise südamiku, kui läbi õhu ning südamiku küllastumiseks nimetatakse seisu, kus südamikku läbib maksimaalne magnetvoog. Selle saavutamiseks on vaja, et südamikule mõjuks kontrollahelast piisav väline magnetomotoorjõud. Magnetvõimendi puhul, on selleks jõuks alalisvool, mis tekitab südamikus võimalikult suure magnetvoo tiheduse ning viib sellega südamiku küllastusse. Magnetomotoorjõud sõltub keerdude arvust ja neid läbiva voolu tugevusest.

J = N \cdot I ,

kus

J on magnetomotoorjõud (amperkeerd),
N on pooli keerdude arv,
I on voolu tugevus (A).

Koormus asub magnetvõimendi vahelduvvooluahelas, kus võimendusena käsitletakse väikest pinge muutust kontrollahelas, mis tekitab suure voolu muutuse koormusahelas. Vajadusel lisatakse sinna ka pinge alaldamiseks või häirete vähendamiseks lisakomponendid. Selline võimendi võimaldab milliamprises suurusjärgus tüürvooluga tüürida amprisuuruseid koormusvoole. Võimendi projekteerimisel tuleks keritava traadi suurust valides lähtuda koormusvoolu suurusest. Kontrollvool on enamasti väike ning seega võib kasutada peenemat traati aga suure koormusvoolu puhul tuleks valida jämedam traat.

Magnetväljade toime südamikus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Lihtsaim magnetvõimendi skeem.

Kui alalisvool läbib toroidile keritud pooli L1 keerdude arvuga N1 tekitab see muutumatu magnetvälja pooli ümber ja stabiilse magnetvoo toroidi sisse. Vahelduvvoolu puhul tekib pooli L2 (keerdude arvuga N2) ümber muutuv magnetväli, mis sõltuvalt poolperioodist kasvab positiivses või negatiivses suunas vaheldumisi. Seega on ühes südamikus tekitatud korraga kaks erinevat magnetvoogu, kus üks on püsiv ja teine muutuv.

Oma eripära tõttu avaldab pool vahelduvvoolule induktiivtakistust, millega kaasneb ka suur impedants sama voolu muutusele. Suure impedantsiga kaasneb koormusahelas oleval poolil suur pingelang ning ülekantav võimsus on väike. Alalisvool muudab südamiku küllastust. Küllastuse suurenedes väheneb südamiku magnetiline läbitavus, mistõttu väheneb teise pooli induktiivsus ja seega ka tema takistus vahelduvvoolu jaoks. Tänu südamiku küllastusele väheneb koormusahelas oleva pooli induktiivtakistus, impedants ning seega ka ahela kogutakistus ning suurem võimsus jõuab koormusesse. Selline lülitus võimaldab väga väikese vooluga tüürahelas kontrollida koormusahela pooli induktiivtakistust ning seega ka koormusele ülekantavat võimsust.

Südamike valik[muuda | redigeeri lähteteksti]

Sõltuvalt südamiku suurusest, ristlõikepindalast, materjalist ja kujust avaldavad need kogu ahela tööle erinevat mõju. Mida suurema ristlõikepindalaga südamik ja keerdude arv sellel valida, seda suuremaks muutub keritud pooli induktiivsus. Ühtlasi suureneb siis ka tema induktiivtakistus.

L = {N^2 \cdot A \cdot \mu_{\text{r}} \cdot \mu_{\text{0}} \over l} ,

kus

L on pooli induktiivsus (H),
N on keerdude arv,
A on südamiku ristlõike pindala (m^2),
\mu_{\text{r}} on magnetiline läbitavus,
\mu_{\text{0}} on suhteline magnetiline läbitavus,
l on toroidi ümbermõõt mõõdetuna keskjoonel (m).

Erinevast materjalist südamikud omavad ka nendele iseloomulikku magneetuvust iseloomustavat karakteristikut. Sõltuvalt karakteristiku lineaarse osa tõusust võib võimendus olla väga erinev. Mida paremini ja kiiremini südamik voolumuutusele reageerib, seda suurem võimendus on võimalik saada ning seda rutem südamik küllastub.

Ümara toroidi kasutamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kõige lihtsamini keritav aga kuna alalis- ning vahelduvvooluahelad on ühendatud ainult ühe magnetahela kaudu siis võib liiga suure vahelduvvool korral koormusvool sattuda ka kontrollahelasse. Selle tulemusena on kontrollahela töö häiritud ning tüürimine pole enam võimalik. Lisaks võib see kontrollahela üldse rikkuda. Selle vältimiseks võib kaks toroidi ühendada jadamisi. Lülituse miinuseks on aga see, et minimaalse või olematu kontrollvoolu puhul, ei ole võimalik koormusahelas voolu täielikult peatada, kuna pool ei saa omada lõpmata suurt impedantsi vahelduvvoolule. Sellise väikse voolu lekkimist koormusesse aitab ära hoida erinevate dioodlülituste kasutamine.

Kolme harulise südamiku kasutamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Magnetvõimendi kasutades kolme haruga südamikku.

Kolme haruline südamik on efektiivsem kui ümmargune südamik. Oma ehituse tõttu võimaldab vabaneda ühele südamikule keritud vahelduvvoolu mõjust kontrollahelale. Kui vahelduvvool läbib poole, on nendes oleva voolu suund üksteise suhtes alati vastupidine, kuid kumbki ühtib alati kontrollahela suunaga. Seega tekib küllastusseisund südamiku kummalgi poolel korda mööda.

Mitme südamiku kasutamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Jadaühenduses mähistega magnetvõimendi

Mitme südamiku kasutamine aitab vabaneda ühele südamikul keritud koormusahela mõjust kontrollahelale. Kummagi drosseli ferromegnetsüdamikul on üks mähis (1 ‒ 2) tüürahelas ja teine (3 ‒ 4) koormusahelas. Koormusahela mähised on ühendatud jadamisi koormusega Rld ja seda ahelat toidetakse vahelduvvooluga (klemmidelt Xld-1 ‒ Xld-2). Tüürahela mähised on samuti jadalülituses, kuid ühendatud magneetimistoimelt vastassuunas; niisuguse ühenduse korral mõjutab tüürvool küll südamike magneetumust, kuid selle voolu muutused ei transformeeru töömähistesse. Tüürvooluks on klemmidele Xc-1 ‒ Xc2 antav alalisvool, mille suurusest sõltub südamike magnetiline läbitavus. Koos magnetilise läbitavusega muutub koormusahela vahelduvvoolumähiste induktiivsus ja vastavalt muutub ka neid läbiv koormusvool. Seesugune drosselmagnetvõimendi võib kuuluda vooluvõimenduslülitusse, milles toimib täiendavate nihkemähiste ja sildlülituses dioodide abil magnetsüdamikku küllastav tagasiside. Nii saavutatakse signaali lineaarne võimendus küllaltki laias sagedusalas.

Magnetvõimendi ühendamine dioodsillaga[muuda | redigeeri lähteteksti]

Dioodsillaga magnetvõimendi

Koormuseks võib valida ka alalisvoolu tarbiva seadme. Sellisel juhul on vajalik koormusahelas vahelduvvool alaldada, kasutades selleks diood- või sildalaldit. Väljundpinge väiksema pulsatsiooni jaoks võib lisada ka silukondensaatori.

Eelised ja miinused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Magnetvõimedi tööd võivad mõjutada pinge kõikumised vahelduvpingeahelas, mis kajastuvad võimendatult väljundis. Võimatu on saavutada lõpmata suurt drosseli impedantsi vahelduvvooluahelas. Seetõttu on võimendi väljundis ilma lisakomponentideta alati nullist erinev vool ning võimendi vajab lisakomponente stabiilsuse hoidmiseks, mis omakorda seadme keerukust, suurust ja hinda. Selline seade sobib aga hästi erinevatesse lülitusseadmetesse, sensoritesse, stabilisaatoritesse või võimenditeks, kuna lubab väljundvoolu muuta väga väikse sammuga. Seadet on võimalik ehitada ilma liikuvate kontaktide või osadeta, mis peaks lubama seadmele pikemat eluiga. Võimalik on kontrollida suuri võimsusi ja seade ise on seal juures küllaltki efektiivne. Lihtne hooldada ning ohutust parandab ka sisendi ja väljundi vaheline elektriline isolatsioon.

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Allikad[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. United States Patent, Controlling Alternating Currents. (Ernst F. W. Alexanderson). 1206643, December 17, 1912, (November 28, 1916)
  2. Georg B. Trinkaus. Amplifiers – another lost technology 2000, 24 pp.
  3. Paul Mali. Magnetic amplifiers, principles and applications. John F. Rider Publisher, 1960, 110 pp
  4. Robbins & Miler. Circuit Analysis, Theory and Practice, 2nd Edition, 1109 pp.