Marine Zeebrugge
Magnetische versterkers
TechTalk
Root server » TechTalk » Marinebasis Zeebrugge » Magnetische versterker » Transfo met verzadigbare kern

-

-


1


2


3


4


5


6


7


8


9

Tot aan de jaren 1960 werden er nog volop magnetische versterkers gebruikt als stroomversterkend component. Magnetische versterkers waren meer betrouwbaar en konden hogere vermogens schakelen dan de toen beschikbare electronische buizenversterkers.

Onder de noemer van "magnetische versterkers" zijn er eigenlijk twee schakelingen:

  • de verzadigbare spoel die als regelbare weerstand werkt en als basis dient voor de echte magnetische versterker
  • de magnetische versterker (amplistat) gebruikt extra componenten en vormt een geheel.
Men zou de vergelijking kunnen doortrekken door te zeggen dat een transistor vergelijkbaar is met een verzadigbare spoel en een magnetische versterker een op-amp is (bestaat uit transistoren en andere componenten).

Voor de komst van versterkers die in staat waren hoge stromen te schakelen, kon men een beroep doen op magnetische versterkers met verzadigbare kern. Op deze pagina bespreek ik de zuivere magnetische versterkers, op een andere pagina staan de mechanische versterkers zoals de amplidyne.

De magnetische versterkers hebben één voordeel ten opzichte van hun voorgangers: ze hebben geen bewegende delen. Een magnetische versterker vergt geen onderhoud.

Terwijl de amplidyne gebaseerd is op de stroomversterking van een generator, is de magnetische versterker gebaseerd op de weerstandsverandering van een spoel. De magnetische versterker heeft als stuuringang een kleine gelijkstroom en stuurt als uitgang een sterke wisselstroom.

Werkingsprincipe: een luchtspoel die door een electrische stroom doorlopen wordt produceert een magnetisch veld. Er is geen zelf-inductie die de stroom beperkt, de stroom wordt enkel beperkt door de ohmse weerstand van de wikkeling (en door de belasting).

Afbeelding 1:
Als men de spoel in een ijzeren kern plaatst, dan stijgt het geïnduceerd magnetisch veld (rode curve). Ijzer heeft namelijk een hoge permeabiliteit (versterking van het magnetisch veld). Het effekt is vooral merkbaar als de ijzeren kern een gesloten vorm heeft zodat de magnetische veldlijnen in het ijzer kunnen blijven.

Het opgewekt magnetisch veld is nu zo sterk dat er een zelf-inductie optreed, die de stroom tegenwerkt. De totale stroom is dus laag, het is alsof de spoel een hoge weerstand heeft.

Afbeelding 2:
Vanaf een bepaald magnetisch veld stijgt het geïnduceerd veld niet meer. De kern is verzadigd en een verdere verhoging van het magnetisch veld veroorzaakt geen verdere stijging van het geïnduceerd veld. Er is geen zelf-inductie meer en de stroom wordt enkel beperkt door de ohmse weerstand van de spoel en de belasting.

Afbeelding 3:
Als men de voormagnetisatie van de ijzeren kern wijzigt, dan kan men automatisch het ogenblik van de saturatie wijzigen, en dus ook de effectieve weerstand van de spoel. Men kan het tijdstip van de saturatie wijzigen door een extra magnetisch veld aan te leggen. De bekomen curve lijkt heel veel op die van een thyristorsturing!

Afbeelding 4:
De extra wikkeling op de spoel (rode wikkeling) veroorzaakt een extra magnetisch veld die de kern vroeger of later in saturatie brengt. De constructie is niet vergelijkbaar met een transfo. De twee stroomwikkelingen zijn tegendraads gewikkeld, waardoor er geen stroom in de controle-wikkeling ontstaat (geen transfo-effekt). Eenmaal de saturatie bereikt, daalt de zelf-inductie van de stroomspoelen en dus ook de weerstand ervan.

De controle-spoel bestaat uit veel wikkelingen (zodat men een sterk magnetisch veld kan bekomen met relatief weinig stroom). Naargelang de voormagnetisatie gaat de ijzerkern vroeger of later in saturatie.

Afbeelding 5:
De stroomversterking van een eenvoudige magnetische versterker: een verandering van de stuurstroom van 10mA veroorzaakt een stroomverandering van 450mA in de belasting.

Afbeelding 6:
Een magnetische versterker (amplistat) in de praktijk met een controlewikkeling, een biaswikkeling (niet gebruikt in dit voorbeeld) en een feedbackwikkeling. De bias-wikkeling wordt gebruikt om een voormagnetisatie aan te leggen zodat de versterker in zijn lineaire gedeelte werkt. De feedback wikkeling wordt als positieve terugkoppeling gebruikt om de gain van de versterker op te voeren. De drie controle-wikkelingen kan men aanzien als optel-ingangen: het magnetisch veld van ieder wikkeling wordt opgeteld. Om geen transfo-eigenschappen te bekomen mag het controle-veld slechts relatief traag veranderen.

Afbeelding 7:
Een praktische toepassing: het gebruik van dioden zorgt voor een verhoging van het rendement (versterking van 1000× en meer per trap). Met twee trappen haalt men een versterking van 1.000.000×.

Terwijl de geallieerden de amplidyne gebruikten om de kanonnen te richten op V1's en andere vijandige vliegtuigen en schepen, gebruikten de duitsers een magnetische versterker voor de besturing van de V2. Ondanks het extra gewicht was de magnetische versterker de enige versterker die stevig genoeg was om aan boord van een raket gebruikt te kunnen worden.

Zelfs modernere vliegtuigen hebben lang magnetische versterkers gebruikt omdat ze zo betrouwbaar waren. Dankzij de hogere netfrekwentie aan boord van vliegtuigen (400Hz) waren de magnetische versterkers niet overdreven zwaar en waren ze relatief snel.

Ik herinner mij dat verzadigbare spoelen in de jaren '60 gebruikt werden voor podiumverlichting. In plaats van zware rheostaten te gebruiken (waarbij de helft van het vermogen in warmte gedissipeerd werd) gebruikte men toen spoelen. Met een zwakke regelbare stroom kon men de verlichting regelen zonder verlies. De zware rheostaten konden vervallen en werden vervangen door normale potentiometers.

De magnetische versterkers zijn uiteindelijk vervangen door thyristoren en triacs. Maar deze versterkers komen onverwacht terug in schakelende voedingen die meerdere geregelde spanningen moeten kunnen leveren aan hun secundair. Een normale schakelende voeding kan maar één secundaire spanning stabiliseren. Wenst men de andere spanningen eveneens te stabiliseren, dan doet men een beroep op de principes die hier uitgelegd worden. Dergelijke slimme schakelende voedingen worden gebruikt in alle bureau computers (ATX voedingen).

Een andere moderne toepassing van verzadigbare spoelen is het synchroniseren van generatoren op het electriciteitsnet.


Men kan gemakkelijk een eenvoudige magnetische versterker nabouwen, men heeft enkel twee identieke kleine transfo's nodig van 220V naar 12V (kleine transfo's voor halogeenverlichting zijn ideaal). Echte magnetische versterkers gebruiken een aangepaste ijzersoort en een speciale constructie waardoor alles in één zit, maar het lukt ook met gewone transfoblik.

De primaire wikkeling gebruikt men als controle-wikkeling: men legt hier de gelijkspanning aan. De polariteit is niet van belang, de aan te leggen spanning gaat van 0 tot een paar volt.

De stroomwikkelingen zijn de secundaire wikkelingen. Let goed op de aansluiting, zie tekening. De schakeling komt overeen met de afbeelding 6. Naargelang de gebruikte transfo's kan men een stroom schakelen die 50× hoger ligt dan de controle-stroom. Men kan een schakeling met diodes gebruiken, waardoor het rendement en de versterking stijgen.


Er bestaan ook regelbare transfo's die volgens hetzelfde principe werken. Als de stuurkring niet bekrachtigd wordt, dan volgen de magnetische krachtlijnen de kostste weg, dus de weg 1. Als de stuurkring bekrachtigd wordt, dan worden de wegen 1 en 2 gesatureerd: voor de primaire wikkeling is het alsof deze wegen uit lucht zouden bestaan (slechte permeabiliteit). De enige weg die overblijft is via 3: nu wordt de secundaire spoel wel blootgesteld aan het wisselend magnetisch veld van de primaire wikkeling en ontstaat er een spanning over het secundair.

De magnetische versterkers onder de vorm van verzadigbare spoelen en transfos werden gebruikt tot de hele installatie vervangen werd (bijvoorbeeld vervanging door een nieuw schip, toneelverlichting die volledig vervangen werd, enz. Een kenmerk van magnetische versterkers is namelijk dat ze nagenoeg nooit defekt gaan en geen onderhoud vergen. Ze kunnen grote stromen verwerken en kunnen overbelast worden, maar ze zijn zwaar en lomp en kunnen niet snel reageren.

Afbeelding 8:
Dit lijken gewone ingegoten impulstransfos, en als je de wikkelingen niet kan zien kan je niet zeker zijn, maar het feit dat er diodes zijn aan primaire kant (en niet aan secundaire kant) wijst naar een magnetische versterker die hier gebruikt wordt om een reeks thyristoren te doen schakelen. Het is een feit dat transfo's met verzadigbare kern vaak gebruikt werden om thyristoren aan te sturen.

Afbeelding 9:
Twee verzadigbare spoelen kunnen als stroomtransfo gebruikt worden om gelijkstroom te meten. De dynamische weerstand (impedantie) van de verzadigbare kern veranderd met de gelijkstroom die door de stroomgeleider loopt. In een dergelijke toepassing zal men tegenwoordig eerder een hall sensor gebruiken.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's