Marine Zeebrugge
Magnetische versterkers
TechTalk
Root server » TechTalk » Marinebasis Zeebrugge » Magnetische versterkers

Voor de komst van electronische versterkers die in staat waren hoge stromen te schakelen, kon men een beroep doen op magnetische versterkers. De eerste versterkers waren motor-generatorcombinaties waarbij men met een kleine ankerstroom een grotere collectorstroom kon produceren. Later is men overgestapt op magnetische versterkers zonder bewegende delen, en uiteindelijk is men electronika gaan gebruiken.
-

-

Alternatoren zijn wisselstroomgeneratoren. Een draaiend magnetisch veld produceert een wisselspanning in de vaste wikkelingen (stator). Het draaiend magnetisch veld kan door een permanent magneet gerealiseerd worden (de fietsdynamo is in feite een alternator), maar men kan ook een wikkeling gebruiken om een magnetisch veld te maken. De juiste benaming van een alternator met permanent magneet is magneto.

De stroom in de rotor is laag, terwijl de stroom die opgewekt wordt hoog is (een "versterking" van 100× voor een alternator met enkelvoudige exciter is niet ongewoon). De energie die nodig is komt van de aandrijfmachine. Men kan dus een alternator gebruiken als rudimentaire versterker. De alternator reageert traag op de veranderingen van bekrachtiging en de toepassingen waren beperkt.

Meer informatie over alternatoren kan u hier vinden (zie ook de aanverwante pagina's).

Alexanderson alternator

Voor de komst van de electronenbuis en later de transistor was men aangewezen op alternatoren om wisselspanning te genereren. De frekwenties die nodig zijn voor radio-uitzendingen liggen echter veel hoger dan de frekwenties van de courante alternatoren (50, 60 en later 400Hz). Men moet zowel de rotatiesnelheid van de rotor opvoeren als het aantal polen vermeerderen.

Typische waarden voor een kleine generator zijn 20.000 toeren/minuut (333 toeren per seconde) en 300 polen, wat een frekwentie van 100kHz oplevert. De limieten zijn 150kHz (voor relatief kleine generatoren) en 500kW (grote generatoren die een lagere frekwentie produceren, bijvoorbeeld 15kHz). De grote generatoren werden gebruikt voor telegrafie tussen de continenten, terwijl de kleinere toestellen gebruikt konden worden voor eenvoudige radio-toepassingen (AM modulatie). Dit waren de eerste echte radio-uitzendingen.

Vanwege hun grote afmetingen werden de generatoren niet aan boord van schepen gebruikt (de Verenigde Staten hebben wel experimenten uitgevoerd).

De Alexanderson generator geraakte langzamerhand in onbruik met de komst van de radiobuizen in de jaren '1930, maar bleef in gebruikt voor lange afstandscommunicatie en communicatie met onderzeeboten.

Er is hier geen rotorwikkeling, het is niet mogelijk om met sleepcontacten de energie over te brengen bij zulke hoge rotatiesnelheden. De rotorwikkeling zou trouwens uit elkaar gerukt worden door d emiddelpunt vliegende krachten.

µ De rotor bestaat uit een metalen schijf met inkepingen of doorboringen (gevuld door een magnetisch netraal materiaal), zie afbeelding hieronder. Deze inkepingen veranderen de weerstand van het magnetisch circuit (reluctantie). De werking is te vergelijken met de magnetische pick up van een electrische gitaar.

De alternator is een soort roterende transfo met de primaire en secundaire wikkeling op de stator, maar magentisch gekoppeld via de rotor.

We hebben een primaire wikkeling in blauw die een gelijkspanning krijgt en dus een constant veld produceert. Het veld loopt van de rotor, over de luchtspleet naar de stator.

Er zijn dubbel zoveel statorpolen als er rotorpolen zijn. Iedere statorpool heeft een secundaire wikkeling, aangegeven in het groen (4 wikkelingen zijn getekend op het beeld rechts).

De secundaire wikkelingen zijn in serie gewikkeld, maar omgepoold geschakeld. Op een bepaald ogenblik is het veld maximaal ter hoogte van pool "A" (blauwe letter rechts) en minimaal ten hoogte van pool B (maximale luchtspleet).

Als de rotor draait verschuiven de plaatsen met maximaal en minimaal veld, waardoor er een wisselspanning in de wikkelingen ontwikkeld wordt. Als een onpare pool een maximaal veld heeft, dan heeft een pare pool een minimaal veld.

De wikkelingen wekken een wisselspanning op die direct naar de antenne gestuurd wordt. Om het signaal te moduleren wordt er een verzadigbare spoel in serie op de leiding gebruikt, die als een regelbare weerstand werkt.

De zendfrekwentie wordt bepaald door de rotatiesnelheid van de alternator. De zendfrekwentie is dus niet echt stabiel en verloopt met de modulatie, die een verandering in het mechanisch koppel veroorzaakt.

Er is tegenwoordig nog één generator operationneel in Grimeton (Zweden). De zender wordt éénmaal per jaar in bedrijf gesteld op Alexanderson day (24 december). Er wordt traditioneel een kertboodschap in morse uitgezonden.


Ward Leonard schakeling
Amplidyne en metadyne
Een praktische toepassing van de generator als versterker is de amplidyne en metadyne, waarbij een kleine stroom door de veldwikkeling een hoge ankerstroom veroorzaakt. Er wordt hier met gelijkspanning gewerkt, men heeft zich dus gebaseerd op de dynamo. In bepaalde toepassingen gedraagt de metadyne zich als een regelbare gelijkspanningstransfo, om een gelijkspanning te transformeren naar een variabele gelijkspanning.

Ward Leonard
De Ward Leonardschakeling wordt gebruikt om het toerental van motoren naukkeurig te regelen. Als sturend element gebruikt men een dynamo of een amplidyne (als het te versterken signaal redelijk zwak is).
Praktische Ward Leonardschakeling voor liftbediening
Een volledige uitleg van een Ward Leornad schakeling voor liftbediening
Ward Leonardschakeling voor sleepboten
Het schema van een Ward-Leonardschakeling gebruikt aan boord van de oude slepers van de belgische marine. Eenzelfde schakeling kan gebruikt worden om de liftkooien in steenkoolmijnen te bedienen.

Magnetische versterkers (amplistat)
De magnetische versterker is een speciale transformator die in verzadiging wordt gestuurd, waardoor zijn impedantie lager wordt. Een magnetische versterker werkt dus als een zware regelbare weerstand, maar zonder de ohmse verliezen.
Hoewel de Ward Leonard groepen lang in gebruik zijn gebleven, heeft men voor nieuwe ontwerpen gewerkt met thyratrons en ignitrons. Dit waren buizen die kleine belastingen (thyratron) of grote belastingen (industriële processen) konden sturen. Thyratrons werden gebruikt om lampen en kleine motoren te bedienen, terwijl een ignitron gebruik werd voor stromen van duizenden ampères en spanningen van duizenden volts.

Deze buizen werden ontworpen voor de tweede wereldoorlog maar werden pas intensief gebruikt na de oorlog, bijvoorbeeld in de liftbediening, waar ze een volledige Ward Leonard groep konden vervangen. Het vermogen wordt geregeld door de tijdstip van inschakeling te regelen bij wisselstroom.

De buizen werden uiteindelijk vervangen door thyristoren en triacs, die het halfgeleider equivalent waren van de buizen. Voor zeer hoge stromen en spanningen blijft men echter nog altijd buizen gebruiken.

Het inschakelen gebeurt door een puls op de gate, maar men kan ook een geisoleerde sturing toepassen door middel van een optocoupler (solid state relais). Met minder dan een watt kan men een belasting van duizenden watts aan- en uitschakelen.

En uiteindelijk is men ook MOSFET transistoren gaan gebruiken. Deze worden met een spanning aangestuurd, en in tegenstelling met een triac of thyristor is het mogelijk de geleiding te onderbreken door de spanning weg te nemen. Deze transistoren worden daarom gebruikt om asynchrone motoren te sturen, waarbij men de frekwentie en de spanning kan veranderen om zo een soepele werking kan bekomen.

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

-