El amplificador magnético (conocido coloquialmente como "mag amp") es un dispositivo electromagnético para amplificar señales eléctricas. El amplificador magnético se inventó a principios del siglo XX y se utilizó como alternativa a los amplificadores de válvulas de vacío donde se requería robustez y alta capacidad de corriente. La Alemania de la Segunda Guerra Mundial perfeccionó este tipo de amplificador y se utilizó en el cohete V-2 . El amplificador magnético fue más prominente en el control de potencia y aplicaciones de señales de baja frecuencia desde 1947 hasta aproximadamente 1957, cuando el transistor comenzó a suplantarlo. [1] El amplificador magnético ahora ha sido reemplazado en gran medida por el amplificador basado en transistores, excepto en algunas aplicaciones críticas para la seguridad, de alta confiabilidad o extremadamente exigentes. Todavía se utilizan combinaciones de técnicas de transistores y amplificadores magnéticos.
Visualmente, un dispositivo de amplificador magnético puede parecerse a un transformador , pero el principio de funcionamiento es bastante diferente al de un transformador: esencialmente, el amplificador magnético es un reactor saturable . Hace uso de la saturación magnética del núcleo, una propiedad no lineal de una determinada clase de núcleos de transformadores. Para características de saturación controlada, el amplificador magnético emplea materiales de núcleo que han sido diseñados para tener una forma de curva BH específica que es altamente rectangular, en contraste con la curva BH que se estrecha lentamente de materiales de núcleo de saturación suave que a menudo se usan en transformadores normales.
El amplificador magnético típico consta de dos núcleos magnéticos de transformador físicamente separados pero similares , cada uno de los cuales tiene dos devanados: un devanado de control y un devanado de CA. Otro diseño común utiliza un núcleo único con forma de número "8" con un devanado de control y dos devanados de CA, como se muestra en la foto de arriba. Una pequeña corriente continua procedente de una fuente de baja impedancia se introduce en el devanado de control. Los devanados de CA se pueden conectar en serie o en paralelo, y las configuraciones dan como resultado diferentes tipos de amplificadores magnéticos. La cantidad de corriente de control alimentada al devanado de control establece el punto en la forma de onda del devanado de CA en el que cualquiera de los núcleos se saturará. En saturación, el devanado de CA en el núcleo saturado pasará de un estado de alta impedancia ("apagado") a un estado de muy baja impedancia ("encendido"); es decir, la corriente de control controla el punto en el cual el voltaje se activa. el amplificador se enciende.
Una corriente CC relativamente pequeña en el devanado de control puede controlar o conmutar grandes corrientes CA en los devanados de CA. Esto da como resultado una amplificación actual.
Se utilizan dos núcleos magnéticos porque la corriente CA generará alto voltaje en los devanados de control. Al conectarlos en fase opuesta, los dos se cancelan entre sí, de modo que no se induce corriente en el circuito de control. El diseño alternativo que se muestra arriba con el núcleo en forma de "8" logra este mismo objetivo magnéticamente.
El amplificador magnético es un dispositivo estático sin partes móviles. No tiene mecanismo de desgaste y tiene buena tolerancia a golpes y vibraciones mecánicas. No requiere tiempo de calentamiento. [2] Se pueden sumar múltiples señales aisladas mediante devanados de control adicionales en los núcleos magnéticos. Los devanados de un amplificador magnético tienen una mayor tolerancia a 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 compuerta de flujo . Los núcleos de los reactores de los amplificadores magnéticos resisten extremadamente bien la radiación de neutrones. [3] Por esta razón especial se han utilizado amplificadores magnéticos en aplicaciones de energía nuclear. [4]
La ganancia disponible en una sola etapa es limitada y baja en comparación con los amplificadores electrónicos. La respuesta de frecuencia de un amplificador de alta ganancia está limitada a aproximadamente una décima parte de la frecuencia de excitación, aunque esto a menudo se mitiga excitando amplificadores magnéticos con corrientes superiores a la frecuencia de la red pública . [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 desde el circuito controlado al circuito de control. Esto complica el diseño de amplificadores multietapa en comparación con los dispositivos electrónicos. [1]
Los amplificadores magnéticos introducen una distorsión armónica sustancial en la forma de onda de salida que consiste enteramente en armónicos impares. A diferencia de los rectificadores controlados por 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.
Los amplificadores magnéticos fueron importantes como amplificadores de modulación y control en el desarrollo inicial de la transmisión de voz por radio. [2] Se utilizó un amplificador magnético como modulador de voz para un alternador Alexanderson de 2 kilovatios , y se utilizaron amplificadores magnéticos en los circuitos de manipulación de grandes alternadores de alta frecuencia utilizados para comunicaciones por radio. También se utilizaron amplificadores magnéticos para regular la velocidad de los alternadores Alexanderson para mantener la precisión de la radiofrecuencia transmitida. [2] Se utilizaron amplificadores magnéticos para controlar grandes alternadores de alta potencia encendiéndolos y apagándolos para telegrafía o para variar la señal para modulación de voz. Los límites de frecuencia del alternador eran bastante bajos hasta el punto de que se tuvo que utilizar un multiplicador de frecuencia para generar frecuencias de radio más altas de las que el alternador era capaz de producir. Aun así, los primeros amplificadores magnéticos que incorporaban núcleos de polvo de hierro eran incapaces de producir frecuencias de radio superiores a aproximadamente 200 kHz. Se tendrían que desarrollar otros materiales centrales, como núcleos de ferrita y transformadores llenos de aceite, para permitir que el amplificador produzca frecuencias más altas.
La capacidad de controlar grandes corrientes con una pequeña potencia de control hizo que los amplificadores magnéticos fueran útiles para el control de circuitos de iluminación, iluminación de escenarios y carteles publicitarios. Se utilizaron amplificadores de reactor saturables para controlar la energía de los hornos industriales. [2] Los amplificadores magnéticos como controladores de voltaje CA variable han sido reemplazados en su mayoría por rectificadores controlados por silicio o TRIAC . Algunos soldadores de arco todavía utilizan amplificadores magnéticos.
Se utilizaron pequeños amplificadores magnéticos para indicadores de sintonización de radio, control de la velocidad del motor pequeño y del ventilador de refrigeración y control de los cargadores de baterías.
Los amplificadores magnéticos se utilizaron ampliamente como elemento de conmutación en las primeras fuentes de alimentación de modo conmutado ( SMPS ), [5] así como en el control de iluminación. Los interruptores de estado sólido basados en semiconductores los han reemplazado en gran medida, aunque recientemente se ha recuperado cierto interés en el uso de amplificadores magnéticos en fuentes de alimentación conmutadas compactas y confiables. Las fuentes de alimentación PC ATX suelen utilizar amplificadores magnéticos para la regulación del voltaje del lado secundario. Actualmente, varias grandes empresas electromagnéticas, incluidas Metglas y Mag-Inc, fabrican núcleos diseñados específicamente para fuentes de alimentación de modo conmutado.
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. Durante el funcionamiento normal, el flujo resultante fue cero ya que ambas corrientes eran iguales y en direcciones opuestas. Las corrientes diferirían durante el deslizamiento de las ruedas, produciendo un flujo resultante que actuaba como devanado de control, desarrollando un voltaje a través de una resistencia en serie con el devanado de CA que se enviaba a los circuitos de corrección del deslizamiento de las ruedas.
Los amplificadores magnéticos se pueden utilizar para medir altas tensiones CC sin conexión directa a la alta tensión y, por lo tanto, todavía se utilizan en la técnica HVDC . La corriente a medir pasa a través de los dos núcleos, posiblemente a través de una barra colectora maciza. Casi no hay caída de tensión en esta barra colectora. La señal de salida, proporcional a los amperios-vueltas en la barra colectora de corriente de control, se deriva del voltaje de excitación alterna del amplificador magnético; no se crea ni induce voltaje en la barra colectora. La señal de salida tiene únicamente una conexión magnética con la barra colectora por lo que el bus puede estar, con bastante seguridad, en cualquier voltaje ( EHT ) con respecto a la instrumentación.
Los amplificadores magnéticos de instrumentación se encuentran comúnmente en naves espaciales donde es muy deseable un entorno electromagnético limpio. [ cita necesaria ]
La Kriegsmarine alemana hizo un uso extensivo de los amplificadores magnéticos. Se utilizaron para los sistemas de elementos estables maestros, para transmisiones de movimiento lento para controlar armas, directores y telémetros y controles de tren y elevación. Los amplificadores magnéticos se utilizaban 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 hizo uso de la tecnología para el control de las tomas de aire de su motor antes de desarrollar un sistema que utilizara electrónica digital. Se utilizaron amplificadores magnéticos en los controles estabilizadores de los cohetes V2 .
Los amplificadores magnéticos fueron ampliamente estudiados durante la década de 1950 como elemento de conmutación potencial para computadoras centrales . Al igual que los transistores, los amplificadores magnéticos eran algo más pequeños que las típicas válvulas de vacío y tenían la importante ventaja de que no estaban sujetos a "quemarse" y, por lo tanto, tenían requisitos de mantenimiento considerablemente menores. Otra ventaja es que se podía usar un solo amplificador magnético para sumar varias entradas en un solo núcleo, lo cual era útil en la unidad aritmética lógica (ALU) ya que podía reducir en gran medida el número de componentes. Las válvulas personalizadas podían hacer lo mismo, pero los transistores no, por lo que el amplificador magnético pudo combinar las ventajas de las válvulas y los transistores en una época en la que estos últimos eran costosos y poco confiables.
Los principios de los amplificadores magnéticos se aplicaron de forma no lineal para crear puertas lógicas digitales magnéticas . Esa era fue corta y duró 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. Sólo se puso en producción una máquina de amplificador magnético a gran escala, la UNIVAC Solid State , pero varias computadoras contemporáneas de finales de los años cincuenta y principios de los sesenta utilizaron esta tecnología, como el Ferranti Sirius , el Ferranti Orion y el English Electric KDF9 , o el MAGSTEC único .
Una fuente de voltaje y una resistencia variable conectada en serie pueden considerarse como 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. Así, en principio, un reactor saturable ya es un amplificador , aunque antes del siglo XX se utilizaban para tareas sencillas, como controlar la iluminación y maquinaria eléctrica ya en 1885. [6] [7] [8]
En 1904, el pionero de la radio Reginald Fessenden hizo un pedido de un alternador mecánico rotativo de alta frecuencia a General Electric Company capaz de generar CA a una frecuencia de 100 kHz para ser utilizado en la transmisión de radio de onda continua a grandes distancias. [9] [10] El trabajo de diseño fue confiado 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 giratorios para comunicaciones por radio transoceánicas. [11] [12]
Las demostraciones experimentales de telegrafía y telefonía realizadas durante 1917 atrajeron la atención del gobierno de Estados Unidos, especialmente a la luz de fallas parciales en el cable transoceánico a través del Océano Atlántico. El alternador de 50 kW fue requisado por la Marina de los EE. UU. y puesto en servicio en enero de 1918 y se utilizó hasta 1920, cuando se construyó e instaló un conjunto generador-alternador de 200 kW.
Los amplificadores magnéticos se utilizaron ampliamente en la generación de energía eléctrica desde principios de la década de 1960 en adelante. Proporcionaron una pequeña amplificación de señal para la regulación automática de voltaje del generador (AVR) desde una pequeña señal de error en un nivel de milivatios (mW) hasta un nivel de 100 kilovatios (kW). Esta, a su vez, se convertía mediante una máquina rotativa (excitador) a un nivel de 5 megavatios (MW), la potencia de excitación requerida por una unidad generadora de turbina típica de una central eléctrica de 500 MW. Demostraron ser duraderos y fiables. Muchos están registrados en servicio hasta mediados de la década de 1990 y algunos todavía están en uso en centrales generadoras más antiguas, especialmente en plantas hidroeléctricas que operan en el norte de California.
En la década de 1970, Robert Carver diseñó y produjo varios amplificadores de audio de alta potencia y calidad, llamándolos amplificadores magnéticos. De hecho, en muchos aspectos se trataba de diseños de amplificadores de audio convencionales con circuitos de alimentación inusuales. No eran amplificadores magnéticos tal como se definen en este artículo. No deben confundirse con los amplificadores de audio magnéticos reales, que también existen.
La naturaleza de los materiales ferromagnéticos produce mucho menos daño por radiación nuclear que el causado a
los materiales semiconductores
.
… Un estudio dedicado al problema indica que el mayor daño al material del núcleo adecuado para amplificadores magnéticos auto-saturados consiste en la pérdida de la 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 ✕
neutrones/
.
Los dispositivos de vigilancia electrónicos que mantienen funcionando sin problemas la poderosa planta nuclear de Tritón son amplificadores magnéticos; casi un centenar de ellos se utilizan para esta tarea crítica.
El amplificador magnético no es nuevo: los principios del control del núcleo saturable se utilizaban en maquinaria eléctrica ya en 1885, aunque no fueron identificados como tales.
Los amplificadores magnéticos se desarrollaron ya en 1885 en los Estados Unidos.
En aquella época se les conocía como
reactores saturables
y se utilizaban principalmente en maquinaria eléctrica y en iluminación de teatros.
El uso de fuerzas magnéticas para la amplificación no es nuevo;
Un estudio de su historia muestra que, aunque el dispositivo no se conocía como amplificador magnético en ese momento, ya se utilizaba en maquinaria eléctrica en 1885.
