Магнитные усилители
Однажды я сидел у каталога технической библиотеки и просматривал одни из ящиков. Недалеко от меня за столиком с табличкой «Дежурный библиограф» работала женщина. К ней подошел юноша и сказал:
- Простите, я не нашел в систематическом каталоге магнитных усилителей.
- В каком разделе вы смотрели? - спросила в свою очередь библиограф.
- В разделе «Усилители».
- А какие усилители, в каком общем разделе?
Молодой человек недоумевал:
- В разделе радиотехники! Там всякие усилители были, и электронные, и транзисторные, а вот магнитных не было.
- И не могло быть, - подтвердила библиограф.
- Почему?
- Потому что магнитные усилители надо смотреть в разделе «Автоматика».
Так начинается книга А. Г. Соболевского «Магнитный усилитель - что это такое?», изданная в 1963 году. Сегодня с трудом можно представить такой диалог. Может показаться, что речь идет о каких-то устаревших технологиях. Именно так хочется подумать, когда слышишь «Магнитный усилитель» или «Индуктивный делитель». На самом деле, и та, и другая технология используется и сегодня. Но в наши дни вряд ли можно встретить такого знающего библиотекаря, да и юношу с такими интересами - тоже. В книге, конечно, действительность сильно преукрашена, но сегодня подобного рода интереса у молодежи, как правило, не возникает. Прошло время технической романтики, это время закончилось разом где-то в 1988 году, когда на смену юношеским мечтам пришли реальные дела. Стало возможным зарабатывать деньги, а мечтать стало некогда.
Что-то говорить своими словами о магнитных усилителях смысла нет, когда есть такие замечательные книги. Разве что очень кратко. Представим себе дроссель с ферромагнитным сердечником, который включен в цепь переменного тока. Этот дроссель представляет собой реактивное сопротивление, которое ограничивает ток нагрузки. Сопротивление может быть довольно большим, тогда ток в нагрузке будет близким к нулю, нагрузку можно считать выключенной. Если теперь каким-то образом начать намагничивать сердечник, то можно подойти к его насыщению. При этом магнитная проницаемость уменьшится, одновременно уменьшится индуктивность и реактивное сопротивление. Ток нагрузки увеличится. Дроссель с насыщенным сердечником представляет собой очень незначительное сопротивление, его можно сравнить с открытым регулирующим элементом обычного усилителя. Для намагничивания сердечника обычно служит отдельная обмотка, которая называется управляющей. Это очень упрощенное представление, подробности можно узнать из книги.
Может показаться невероятным, но магнитный усилитель сегодня есть почти в каждом доме. Именно с его использованием чаще всего выполнен канал +3.3 В в недорогом компьютерном блоке питания формата ATX. Стоило мне протянуть руку и достать с полки плату старого компьютерного БП, как магнитный усилитель оказался прямо перед глазами.
Схемотехника узла формирования напряжения +3.3 В обычно следующая: используются те же отводы вторичной обмотки, что и для канала +5 В. Но выпрямитель канала +3.3 В подключен через насыщающийся дроссель. На фото это L3, он совсем маленький. В качестве опорного источника и усилителя ошибки служит микросхема IC6 типа TL431, в зависимости от выходного напряжения регулируется постоянная составляющая тока дросселя. И делает это маломощный транзистор Q4, в то время как ток нагрузки канала +3.3 В может достигать 10 А и более.
Фактически, в этой схеме насыщающийся дроссель работает как ключ. Не буду сегодня углубляться в технические подробности, пост будет больше гуманитарный. Подробно принцип работы изложен в материалах юнитродовских семинаров, а конкретно в документе slup129.pdf. Перевода этого документа я не встречал, были мысли его сделать, но, судя по всему, это работа в корзину.
Upd: частичный перевод статьи все-таки есть.
Конечно, такая реализация - не единственная для канала +3.3 В. Иногда это напряжение получают с помощью полноценного ключевого понижающего преобразователя, но такое решение дорогое. Иногда основной трансформатор имеет дополнительные отводы вторичной обмотки, тогда канал +3.3 В построен аналогично каналам +5 В и +12 В, осуществляется их групповая стабилизация. Надо сказать, что при использовании магнитного усилителя канал +3.3 В имеет отдельную стабилизацию, которая работает значительно лучше групповой стабилизации. Групповая стабилизация, вместе с ее главным элементом, дросселем групповой стабилизации (ДГС) - благодатная почва для мифов. Про это я уже неоднократно писал. Считается, что ДГС улучшает межканальную стабилизацию даже в случае разных, но стационарных нагрузок на каналы. В действительности это не так, ДГС лишь улучшает реакцию на скачок нагрузки, и всё. Правда, здесь требуется существенное уточнение - это справедливо для случая, когда все каналы достаточно нагружены, чтобы ток в дросселе был непрерывным. Если же какой-то канал работает с очень малой нагрузкой, тут действие ДГС будет сказываться даже в стационарных условиях, но механизм его другой. Вообще, компьютерный БП проектировали инопланетяне, раз там так много непонятного. Например, обычно вызывает затруднение вопрос, почему на всех каналах после ДГС стоит фильтрующая емкость, а уже после нее идет второе звено LC-фильтра, но на одном канале (иногда это +5 В, иногда + 12 В) после ДГС емкости нет, а сразу стоит небольшая индуктивность.
Если с магнитным усилителем все так хорошо, то почему его не применяют наши разработчики импульсных источников питания, ведь задача получения сразу нескольких напряжений не такая и редкая? Ответа на этот вопрос у меня нет.
Где еще применяются магнитные усилители? В тепловозах. Там они используются для регулировки тока возбуждения тягового генератора. Ниже показан фрагмент схемы тяговой электропередачи тепловоза 2ТЭ10М.
На этой схеме магнитный усилитель с самоподмагничиванием, называемый «амплистат», обозначен буквами АВ.
Аналогично построена схема управления генератором дизель-электрических экскаваторов.
Говорят, что магнитные усилители применяют для плавного включения и выключения освещения концертных залов и кинотеатров. Не знаю, насколько это сегодня соответствует действительности, но в прошлом так вполне могли делать. Суммарная мощность осветительных ламп - много киловатт, магнитный усилитель может управлять ими с минимальными потерями.
Применялись магнитные усилители и в бытовой технике. Где-то в 1965 году был начат выпуск радиолы «Гамма-М». Особенностью этой радиолы была встроенная цветомузыкальная приставка.
Для управления гирляндами лампочек там использовались магнитные усилители. Радиола ламповая, транзисторы использовались только в схеме цветомузыкальной приставки. Описание радиолы есть в журнале «Радио», №2 за 1966 год.
Там же приведены и принципиальные схемы.
Внешне дроссели магнитного усилителя выглядели так, на фото они справа, три одинаковых:
С радиолой «Гамма-М» связан интересный факт - она появляется в кадрах знаменитого фильма «Бриллиантовая рука». Радиола находится в каюте капитана. Это из серии «Магнитные усилители в кинематографе».
Где в радиолюбительской практике можно применить магнитный усилитель? Конечно, раз до этого обходились без него, можно обходиться и дальше. Но было бы весело продемонстрировать довольно редкую на сегодняшний день технологию. Не знаю, например, можно попробовать заставить магнитный усилитель работать в паяльной станции. Взять электронный трансформатор (какой-нибудь Taschibra), запитать от него паяльник переменным напряжением через насыщающийся дроссель, а с помощью небольшого управляющего тока управлять нагревом. Можно быть уверенным - такой модной паяльной станции нет больше ни у кого :)