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 tubo de vacío donde se requería robustez y alta capacidad de corriente. Alemania, durante la Segunda Guerra Mundial , perfeccionó este tipo de amplificador y se utilizó en el cohete V-2 . El amplificador magnético fue más destacado en aplicaciones de control de potencia y señales de baja frecuencia desde 1947 hasta aproximadamente 1957, cuando el transistor comenzó a suplantarlo. [1] El amplificador magnético ha sido reemplazado en gran medida por el amplificador basado en transistores, excepto en unas pocas aplicaciones críticas de seguridad, 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 las 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 muy rectangular, en contraste con la curva BH de disminución lenta de los materiales de núcleo de saturación suave que se utilizan a menudo en los transformadores normales.
El amplificador magnético típico consta de dos núcleos magnéticos de transformador similares pero físicamente separados , cada uno de los cuales tiene dos devanados: un devanado de control y un devanado de CA. Otro diseño común utiliza un solo núcleo con la forma del número "8" con un devanado de control y dos devanados de CA, como se muestra en la foto de arriba. Una pequeña corriente CC de una fuente de baja impedancia se alimenta al devanado de control. Los devanados de CA pueden estar conectados en serie o en paralelo, 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 se saturará cualquiera de los núcleos. En la 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 que el voltaje del amplificador magnético se "enciende".
Una corriente continua relativamente pequeña en el devanado de control puede controlar o conmutar corrientes alternas elevadas en los devanados de corriente alterna, lo que da como resultado una amplificación de la corriente.
Se utilizan dos núcleos magnéticos porque la corriente alterna genera un alto voltaje en los devanados de control. Al conectarlos en fases opuestas, 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 ningún mecanismo de desgaste y tiene una buena tolerancia a los golpes mecánicos y a las vibraciones. 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 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 compuerta de flujo . Los núcleos de reactor de los amplificadores magnéticos resisten muy bien la radiación de neutrones. [3] Por esta razón especial, los amplificadores magnéticos se han utilizado en aplicaciones de energía nuclear. [4]
La ganancia disponible de 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 a una frecuencia más alta que la 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 de regreso 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 los receptores de radio, es poco común.
Los amplificadores magnéticos fueron importantes como amplificadores de modulación y control en el desarrollo temprano de la transmisión de voz por radio. [2] Un amplificador magnético se utilizó como modulador de voz para un alternador Alexanderson de 2 kilovatios , y los amplificadores magnéticos se utilizaron en los circuitos de manipulación de grandes alternadores de alta frecuencia utilizados para comunicaciones por radio. Los amplificadores magnéticos también se utilizaron para regular la velocidad de los alternadores Alexanderson para mantener la precisión de la frecuencia de radio transmitida. [2] Los amplificadores magnéticos se utilizaron para controlar grandes alternadores de alta potencia encendiéndolos y apagándolos para la telegrafía o para variar la señal para la 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 que las que el alternador era capaz de producir. Aun así, los primeros amplificadores magnéticos que incorporaban núcleos de hierro en polvo eran incapaces de producir frecuencias de radio superiores a aproximadamente 200 kHz. Habría que desarrollar otros materiales de núcleo, como núcleos de ferrita y transformadores llenos de aceite, para permitir que el amplificador produjera 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, para la iluminación de escenarios y para carteles publicitarios. Los amplificadores de reactor saturable se utilizaron para controlar la potencia de los hornos industriales. [2] Los amplificadores magnéticos como controladores de voltaje de CA variable han sido reemplazados en su mayoría por rectificadores controlados por silicio o TRIAC . Los amplificadores magnéticos todavía se utilizan en algunas soldadoras de arco.
Se utilizaron pequeños amplificadores magnéticos para indicadores de sintonización de radio, control de motores pequeños y de la velocidad del ventilador de refrigeración y control de cargadores de batería.
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 ha habido un interés recuperado en el uso de amplificadores magnéticos en fuentes de alimentación de conmutación compactas y confiables. Las fuentes de alimentación ATX para PC a menudo utilizan amplificadores magnéticos para la regulación de voltaje del lado secundario. Los núcleos diseñados específicamente para fuentes de alimentación de modo conmutado son fabricados actualmente por varias grandes empresas de electromagnetismo, incluidas Metglas y Mag-Inc.
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 era cero, ya que ambas corrientes eran iguales y en direcciones opuestas. Las corrientes diferían durante el deslizamiento de las ruedas, lo que producía 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 voltajes altos de CC sin conexión directa a la alta tensión y, por lo tanto, todavía se utilizan en la técnica HVDC . La corriente que se va a medir pasa a través de los dos núcleos, posiblemente por una barra colectora sólida. Casi no hay caída de tensión en esta barra colectora. La señal de salida, proporcional a los amperios-vuelta en la barra colectora de corriente de control, se deriva de la tensión de excitación alterna del amplificador magnético, no se crea ni se induce voltaje en la barra colectora. La señal de salida solo tiene una conexión magnética con la barra colectora, por lo que el bus puede estar, con bastante seguridad, a 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 requerida ]
La Kriegsmarine alemana hizo un uso extensivo de los amplificadores magnéticos. Se utilizaron para los sistemas de elementos estables maestros, para la transmisión de movimiento lento para controlar los cañones, directores y telémetros y controles de tren y elevación. Los amplificadores magnéticos se utilizaron en sistemas de aeronaves ( aviónica ) antes de la llegada de los semiconductores de alta confiabilidad. 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 entradas de aire de sus motores antes del desarrollo de un sistema que utilizara electrónica digital. Los amplificadores magnéticos se utilizaron en los controles estabilizadores de los cohetes V2 .
Los amplificadores magnéticos fueron ampliamente estudiados durante la década de 1950 como un posible elemento de conmutación para los ordenadores centrales . Al igual que los transistores, los amplificadores magnéticos eran algo más pequeños que las válvulas de vacío típicas y tenían la importante ventaja de que no estaban sujetos a "quemarse" y, por lo tanto, tenían requisitos de mantenimiento drásticamente menores. Otra ventaja es que un solo amplificador magnético podía usarse para sumar varias entradas en un solo núcleo, lo que era útil en la unidad lógica aritmética (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 caros 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, 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. Solo se puso en producción una máquina de amplificador magnético a gran escala, el UNIVAC Solid State , pero una serie de computadoras contemporáneas de finales de la década de 1950 y principios de la de 1960 utilizaron la tecnología, como el Ferranti Sirius , el Ferranti Orion y el English Electric KDF9 , o el único MAGSTEC .
Una fuente de tensión 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. Por tanto, en principio, un reactor saturable ya es 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. [6] [7] [8]
En 1904, el pionero de la radio Reginald Fessenden encargó a la General Electric Company un alternador mecánico rotatorio de alta frecuencia capaz de generar corriente alterna a una frecuencia de 100 kHz para su uso en transmisiones de radio de onda continua a grandes distancias. [9] [10] El trabajo de diseño fue asignado 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 rotatorios para la comunicación por radio transoceánica. [11] [12]
Las demostraciones experimentales de telegrafía y telefonía realizadas durante 1917 atrajeron la atención del gobierno de los Estados Unidos, especialmente a la luz de los fallos parciales en el cable transoceánico que cruzaba el océano Atlántico. El alternador de 50 kW fue requisado por la Marina de los Estados Unidos y puesto en servicio en enero de 1918 y se utilizó hasta 1920, cuando se construyó e instaló un grupo electrógeno-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. Proporcionaban la amplificación de pequeñas señales para la regulación automática de voltaje (AVR) del generador desde una pequeña señal de error a nivel de milivatios (mW) a un nivel de 100 kilovatios (kW). Esto a su vez era convertido por una máquina rotatoria (excitador) a un nivel de 5 megavatios (MW), la potencia de excitación requerida por una unidad generadora de turbina de una planta de energía típica de 500 MW. Demostraron ser duraderos y confiables. Muchos se registraron en servicio hasta mediados de la década de 1990 y algunos todavía se utilizan en estaciones generadoras más antiguas, en particular 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 alta calidad, a los que llamó amplificadores magnéticos. De hecho, en la mayoría de los aspectos eran diseños de amplificadores de audio convencionales con circuitos de suministro de energía inusuales. No eran amplificadores magnéticos según la definición de este artículo. No deben confundirse con los amplificadores de audio magnéticos reales, que también existen.
La naturaleza de los materiales ferromagnéticos da como resultado un daño mucho menor por radiación nuclear que el que se produce en
los materiales semiconductores
. … Un estudio dedicado al problema indica que el daño principal al material del núcleo adecuado para amplificadores magnéticos autosaturados 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/
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Los órganos de control electrónicos que mantienen la potente planta nuclear de Triton funcionando sin problemas son amplificadores magnéticos; casi un centenar de ellos se utilizan para esta tarea crítica.
El amplificador magnético no es nuevo: los principios del control de núcleo saturable se utilizaron en maquinaria eléctrica ya en 1885, aunque no se los identificó como tales.
amplificadores magnéticos se desarrollaron ya en 1885 en los Estados Unidos. En ese momento se los conocía como
reactores saturables
y se usaban 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, se utilizó en maquinaria eléctrica ya en 1885.
