磁気増幅器

磁気増幅器

定格 250 ワットの小型磁気増幅器で、120 VAC、60 Hz で動作するように設計されている。中央の大きな巻線は制御巻線である。

磁気増幅器（口語では「マグアンプ」と呼ばれる）は、電気信号を増幅するための電磁装置である。磁気増幅器は20世紀初頭に発明され、堅牢性と高電流容量が求められる 真空管増幅器の代替として使われた。第二次世界大戦中の ドイツはこのタイプの増幅器を完成させ、V-2ロケットに使用された。磁気増幅器は、1947年から1957年頃まで電力制御と低周波信号の用途で最も目立っていたが、その後トランジスタがこれに取って代わった。^[1] 安全性が極めて重要で、信頼性が高い、または要求が極めて厳しい一部の用途を除き、現在では磁気増幅器はトランジスタベースの増幅器に大きく取って代わられている。トランジスタとマグアンプ技術の組み合わせは今でも使用されている。

磁気アンプ装置は見た目はトランスに似ていますが、動作原理はトランスとはまったく異なります。本質的には、磁気アンプは飽和リアクタです。磁気アンプは、コアの磁気飽和、つまり特定のクラスのトランスコアの非線形特性を利用します。制御された飽和特性のために、磁気アンプは、通常のトランスでよく使用される、緩やかに飽和するコア材料の徐々に先細りする BH 曲線とは対照的に、高度に長方形の特定のBH 曲線形状を持つように設計されたコア材料を採用しています。

一般的な磁気アンプは、物理的に分離しているが類似した 2 つの変圧器磁気コアで構成され、各コアには制御巻線と AC 巻線の 2 つの巻線があります。別の一般的な設計では、上の写真に示すように、1 つの制御巻線と 2 つの AC 巻線を備えた数字の「8」のような形状の単一のコアを使用します。低インピーダンス ソースからの小さな DC 電流が制御巻線に供給されます。AC 巻線は直列または並列に接続することができ、構成によってさまざまな種類の磁気アンプが作成されます。制御巻線に供給される制御電流の量によって、いずれかのコアが飽和する AC 巻線波形のポイントが設定されます。飽和すると、飽和したコアの AC 巻線は、高インピーダンス状態 (「オフ」) から非常に低インピーダンス状態 (「オン」) になります。つまり、制御電流によって、磁気アンプが「オン」になる電圧のポイントが制御されます。

制御巻線上の比較的小さな DC 電流で、AC 巻線上の大きな AC 電流を制御または切り替えることができます。これにより、電流増幅が実現します。

2 つの磁気コアが使用されるのは、AC 電流によって制御巻線に高電圧が発生するためです。これらを逆位相で接続すると、2 つの磁気コアが互いに打ち消し合い、制御回路に電流が誘導されなくなります。上に示した「8」字型のコアを使用した代替設計は、磁気的に同じ目的を達成します。

磁気増幅器は可動部品のない静的デバイスです。摩耗メカニズムがなく、機械的衝撃や振動に対する耐性が良好です。ウォームアップ時間も必要ありません。^[2] 磁気コアに追加の制御巻線を追加することで、複数の分離された信号を合計できます。磁気増幅器の巻線は、同等のソリッドステートデバイスよりも瞬間的な過負荷に対する耐性が高くなっています。磁気増幅器は、電流測定やフラックスゲートコンパスなどのアプリケーションでトランスデューサーとしても使用されます。磁気増幅器の原子炉コアは、中性子放射線に非常によく耐えます。^[3]この特別な理由から、磁気増幅器は原子力アプリケーションで使用されています。^[4]

単一ステージから得られるゲインは、電子アンプに比べて限られており、低い。高ゲインアンプの周波数応答は励起周波数の約10分の1に制限されていますが、これは多くの場合、ユーティリティ周波数よりも高い電流で磁気アンプを励起することで緩和されます。^[1]ソリッドステート電子アンプは、磁気アンプよりもコンパクトで効率的です。バイアス巻線とフィードバック巻線は一方的ではなく、制御回路から制御回路にエネルギーを戻す可能性があります。これにより、電子デバイスと比較すると、多段アンプの設計が複雑になります。^[1]

磁気増幅器は、奇数次高調波のみで構成される出力波形にかなりの高調波歪みをもたらします。磁気増幅器に代わるシリコン制御整流器やトライアックとは異なり、これらの高調波の大きさは周波数とともに急速に減少するため、ラジオ受信機などの近くの電子機器との干渉はまれです。

磁気増幅器は、無線による音声伝送の初期の発展において、変調および制御増幅器として重要でした。^{[2]磁気増幅器は、2 キロワットの}Alexanderson オルタネータの音声変調器として使用され、無線通信に使用される大型の高周波オルタネータのキー回路にも使用されました。磁気増幅器は、送信される無線周波数の精度を維持するために Alexanderson オルタネータの速度を調節するためにも使用されました。^{[2]磁気増幅器は、}電信のために大型の高出力オルタネータをオン/オフして制御したり、音声変調のために信号を変化させたりするために使用されました。オルタネータの周波数制限はかなり低く、オルタネータが生成できる周波数よりも高い無線周波数を生成するには、周波数逓倍器を使用する必要がありました。それでも、粉末鉄心を採用した初期の磁気増幅器は、約 200 kHz を超える無線周波数を生成できませんでした。増幅器がより高い周波数を生成できるようにするには、フェライトコアや油入変圧器などの他のコア材料を開発する必要がありました。

磁気増幅器は、小さな制御電力で大電流を制御できるため、照明回路、舞台照明、広告看板の制御に役立ちました。飽和リアクタ増幅器は、工業炉の電力制御に使用されました。^{[2]可変AC電圧コントローラとしての磁気増幅器は}、シリコン制御整流器またはトライアックにほとんど置き換えられました。磁気増幅器は、一部のアーク溶接機でまだ使用されています。

小型磁気増幅器は、ラジオのチューニングインジケーター、小型モーターと冷却ファンの速度制御、バッテリー充電器の制御に使用されました。

磁気増幅器は、初期のスイッチングモード（SMPS）電源のスイッチング素子として、^[5]照明制御にも広く使用されていました。半導体ベースのソリッドステートスイッチがそれらに取って代わりましたが、最近ではコンパクトで信頼性の高いスイッチング電源に磁気増幅器を使用することに再び関心が集まっています。PC ATX電源では、二次側の電圧調整に磁気増幅器がよく使用されます。スイッチングモード電源用に特別に設計されたコアは、現在、MetglasやMag-Incなど、いくつかの大手電磁気会社によって製造されています。

磁気増幅器は、機関車で車輪のスリップを検出するために使用されていましたが、ホール効果電流変換器に置き換えられました。2 つのトラクション モーターからのケーブルがデバイスのコアを通過します。通常の動作中は、両方の電流が同じで方向が逆であるため、結果として生じる磁束はゼロです。車輪がスリップすると電流が異なり、結果として生じる磁束が制御巻線として機能し、AC 巻線と直列の抵抗器に電圧が発生し、車輪のスリップ補正回路に送られます。

磁気増幅器は、高電圧に直接接続せずに高 DC 電圧を測定するために使用できるため、HVDC技術で今でも使用されています。測定対象の電流は、おそらくソリッド バス バーによって 2 つのコアを通過します。このバス バーでは電圧降下はほとんどありません。制御電流バス バーのアンペア ターンに比例する出力信号は、磁気増幅器の交流励起電圧から得られ、バス バーで電圧が生成または誘導されることはありません。出力信号はバス バーと磁気接続しているだけなので、バスは計器に対して任意の ( EHT ) 電圧に安全にすることができます。

計測用磁気増幅器は、クリーンな電磁環境が非常に望ましい宇宙船によく見られます。^[要出典]

ドイツ海軍は磁気増幅器を広く使用しました。磁気増幅器は、主安定要素システム、銃、指揮器、測距儀を制御するための低速移動伝達装置、および列車および仰角制御に使用されました。磁気増幅器は、信頼性の高い半導体が登場する前の航空機システム (航空電子機器) で使用されていました。磁気増幅器は初期の自動着陸システムの実装に重要であり、コンコルドはデジタル電子機器を使用したシステムが開発される前に、エンジンの空気取り入れ口の制御にこの技術を使用しました。磁気増幅器は、 V2 ロケットの安定装置制御に使用されました。

磁気アンプは、メインフレームコンピュータの潜在的なスイッチング要素として 1950 年代に広く研究されました。トランジスタと同様に、磁気アンプは一般的な真空管よりもやや小型で、「焼き切れ」の心配がなく、メンテナンスの必要性が大幅に少ないという大きな利点がありました。もう 1 つの利点は、1 つの磁気アンプを使用して 1 つのコアで複数の入力を合計できることです。これは、部品数を大幅に削減できるため、算術論理ユニット(ALU) で役立ちました。カスタム チューブでは同じことができますが、トランジスタではできなかったため、トランジスタが高価で信頼性が低かった時代に、磁気アンプはチューブとトランジスタの利点を組み合わせることができました。

磁気増幅器の原理は、磁気デジタル論理ゲートを作成するために非線形に適用されました。その時代は短く、1950年代半ばから1960年頃まで続き、新しい製造技術によってトランジスタが大幅に改善され、コストが劇的に低下しました。生産されたのは、UNIVAC Solid Stateという1つの大規模な磁気増幅器マシンのみでしたが、1950年代後半から1960年代前半の同時代のコンピューターの多く、たとえばFerranti Sirius、Ferranti Orion、English Electric KDF9、または1回限りのMAGSTECでこの技術が使用されました。

電圧源と直列接続された可変抵抗器は、信号を増幅する飽和リアクトルの制御コイルなどの低抵抗負荷の直流信号源とみなすことができます。したがって、飽和リアクトルは原理的にはすでに増幅器ですが、20世紀以前には、1885年には照明や電気機械の制御などの単純なタスクに使用されていました。^{[6] [7] [8]}

1904年、ラジオの先駆者であるレジナルド・フェッセンデンは、長距離の連続波無線送信に使用するために、100kHzの周波数で交流を生成できる高周波回転機械式オルタネーターをゼネラル・エレクトリック社に注文しました。^{[9] [10]}設計の仕事は、2kWのアレクサンダーソンオルタネーターを開発したゼネラル・エレクトリック社のエンジニア、エルンスト・F・アレクサンダーソンに与えられました。1916年までに、アレクサンダーソンは、海洋横断無線通信用にこれらの回転オルタネーターの送信を制御する磁気増幅器を追加しました。^{[11] [12]}

1917 年に行われた実験的な電信および電話のデモンストレーションは、特に大西洋を横断する大洋横断ケーブルの部分的な故障を考慮して、米国政府の注目を集めました。50 kW のオルタネーターは米国海軍に接収され、1918 年 1 月に運用が開始され、1920 年に 200 kW の発電機とオルタネーターのセットが製造され設置されるまで使用されました。

磁気増幅器は、1960 年代初頭から発電に広く使用されていました。この増幅器は、発電機の自動電圧調整 (AVR) 用の小信号増幅を、ミリワット (mW) レベルの小さな誤差信号から 100 キロワット (kW) レベルまで提供しました。この信号は、回転機械 (励磁機) によって、一般的な 500 MW 発電所タービン発電機ユニットに必要な励磁電力である 5 メガワット (MW) レベルに変換されました。この増幅器は耐久性と信頼性に優れています。1990 年代半ばまで多くの増幅器が使用されていたことが記録されており、一部は古い発電所、特に北カリフォルニアで稼働している水力発電所で現在も使用されています。

1970 年代、ロバート カーバーは、磁気アンプと呼ばれる高品質で高出力のオーディオ アンプをいくつか設計、製造しました。実際、それらはほとんどの点で、特殊な電源回路を備えた従来のオーディオ アンプ設計でした。それらは、この記事で定義されている磁気アンプではありませんでした。実際の磁気オーディオ アンプと混同しないでください。

• パラメトロン
• 磁気論理
• トランスデューサー

• Alexanderson, EFW (1920 年 10 月)。「大洋横断無線通信」。General Electric Review : 794–7。
• チェイニー、マーガレット（1981年）。『テスラ：時間を超越した男』サイモン＆シュスター。ISBN 9780743215367。
• シュート、ジョージ M. (1971)。「磁気増幅器」。産業におけるエレクトロニクス (第 4 版)。McGraw-Hill。pp. 344–351。ISBN 9780070109322. OCLC  993285313.
• Oldham, DT; Schindler, PB (1964)。「500MW 発電機用励磁システム」。タービン発電機エンジニアリング。マンチェスター、トラフォード パーク: AEI タービン発電機。
• Trinkaus, George (2006 年 2 月)。「磁気増幅器: 1950 年代の失われた技術」。Nuts & Volts : 68–71 ページ。
• トリンカウス、ジョージ編（2000年）。磁気増幅器：もう一つの失われた技術。ハイ・ボルテージ・プレス。ISBN 9780970961853。
• 米国海軍省スタッフ (2000)。ジョージ・トリンカウス (編)。磁気増幅器参考文献: 磁気増幅器の補足、もう一つの失われた技術。ハイ・ボルテージ・プレス。ISBN 9780970961860。

ウィキメディア・コモンズには、磁気増幅器に関連するメディアがあります。

• Mammano、Bob、Unitrode Corporation (2001)。「トピック 7. シンプルで低コストの二次レギュレーションのための磁気アンプ制御」(PDF)。セミナー 500。Texas Instruments。
• 「MAG-AMP 磁気増幅器の紹介」。Butler Winding。2009 年。2009 年 6 月 3 日にオリジナルからアーカイブされました。
• Shirriff, Ken (2022 年 3 月 27 日)。「真空管の忘れられたライバル」。技術史。IEEE Spectrum。
• Steiner, Nyle (2009 年 10 月)。「自家製磁気増幅器」。