Magneettivahvistin

Magneettivahvistin tai magneettinen vahvistin on sähköisen signaalin vahvistin, jossa vahvistus tapahtuu yhden tai useamman ferromagneettisen magneettisydämen kyllästyvässä kuristimessa. Yksinkertaisimmillaan magneettivahvistin voi olla pelkkä kahden työkäämin kyllästyvä kuristin. Yhden työkäämin kyllästyvästä kuristimesta voi myös tehdä magneettivahvistimen, mutta siinä tapauksessa magneettivahvistimeen tarvitaan myös muita virtapiirielementtejä. Magneettivahvistimeen voi joka tapauksessa kuulua muita virtapiirielementtejä. Magneettivahvistimen käyttöjännite on aina vaihtojännite. Ennen puolijohdevahvistimia magneettivahvistin haastoi elektroniputket monissa sovelluksissa. Nykyään magneettivahvistimilla on kilpailukykyisiä sovelluksia tehoelektroniikassa, esimerkiksi tietokoneiden hakkuriteholähteiden apuregulaattoreina. Magneettivahvistimia on käytetty myös audiovahvistimina, kelpuutettu lentokoneen sähköjärjestelmän sydämeksi, ja niitä aiotaan käyttää myös sähköverkon hallintaan Yhdysvalloissa.

Historia

Mekaanisesti säädettäviä kuristimia käytettiin valaistuksen säätöön jo 1800-luvun lopulla, mutta niitä ei mielletty signaalin vahvistimiksi. Kuristimen magneettipiiriä avaamalla saatiin vähennettyä induktanssia, jolloin vaihtovirta kuristimen läpi kasvoi. Charles Frederick Burgess ja Budd Frankenfield keksivät, että ferromagneettisen muuntajasydämen magneettista kyllästymistä voisi käyttää sähkövirran säätämiseen. Francis Crocker keksi miten kahden työkäämin rakenteella voitiin kumota muuntajavaikutus. Amerikanruotsalainen Ernst Alexanderson oivalsi kyllästyvän kuristimen mahdollisuudet ja ryhtyi käyttämään keksimäänsä magneettivahvistinta tehokkaissa radiolähettimissä. Elektroniputkien monipuolistuvan valikoiman ja radiotekniikan kehityksen myötä kiinnostus Amerikassa laimeni. Saksassa mielenkiinto magneettivahvistimiin säilyi, ja niiden kehitys oli nopeaa vuosien 1937–1945 aikana. Vähäisen huollontarpeen ansiosta magneettivahvistimia hyödynnettiin lukuisissa sotilassovelluksissa, kuten taistelulaivojen tykkien vakautusjärjestelmissä, elektronisissa laskimissa, lentokoneiden autopiloteissa ja V-2-raketin vakautus- ja ohjausjärjestelmissä. Toisen maailmansodan jälkeen mielenkiinto magneettivahvistimia kohtaan heräsi uudelleen. Silloin havaittiin, että magneettivahvistimen tekniikka oli jo edistynyt pitkälle, mutta kaupalliset sovellukset olivat silti harvinaisia.

Toimintaperiaate

Magneettivahvistimen toiminta perustuu ferromagneettisen sydänmateriaalin magneettiseen kyllästymiseen tai permeabiliteetin muutoksiin. Näissä käytetään erityyppisiä magneettisydämen materiaaleja toimintaperiaatteen mukaan. Permeabiliteetin muutoksiin perustuvassa vahvistimessa ei tavoitella magneettisydämen kyllästymistä, vaan hyödynnetään toimintapistettä, jonka ympäristössä permeabiliteetti muuttuu jatkuvasti. Magneettivahvistimien kyllästyvissä kuristimissa on ohjauskäämit, joiden avulla magneettisydämen magnetointia säädetään ja työkäämit, joiden läpi kuormavirta kulkee.
Magneettisydämen äkilliseen kyllästymiseen perustuvassa magneettivahvistimessa kyllästymishetkeä ja siten myös kuormituspulssin pituutta säädetään magnetoinnilla tai demagnetoinnilla kuormituspulssien välisenä aikana. Näin magneettivahvistin tuottaa jatkuvasta ohjaussignaalista kyllästyvälle kuristimelle ominaisen pulssinleveysmodulaation avulla vahvistetun signaalin kuormaan. Vahvistettava sähköinen signaali ja biasvirta ohjataan erillisiin käämeihin. Niiden avulla magnetoinnin suuruutta magnetoinnin alkupisteessä voidaan ohjata, jolloin kyllästyvän kuristimen magneettisen kyllästymisen ajankohtaa ja siten myös magneettivahvistimen kuorman saaman kuormituspulssin pituutta säädetään. Tällä tavoin magneettivahvistimen toiminta muistuttaa hakkuriteholähteistä ja D-luokan vahvistimista tuttua pulssinleveysmodulaatiota, mutta magneettivahvistimessa sitä varten ei tarvita erillistä ohjainpiiriä. Vahvistettu signaali siirtyy kuormaan pulsseina työkäämien kautta.
Toisin kuin elektroniputkiin tai transistoreihin perustuvat vahvistimet, magneettivahvistin vaatii käyttöjännitteekseen vaihtojännitteen, jonka sopiva taajuus ja amplitudi riippuvat kyllästyvän kuristimen sydämen ja työkäämin mitoituksesta.
Magneettivahvistimessa tehovahvistus perustuu siihen, että ohjauskäämissä magneettisydämen magnetointiin kuluva signaalin teho on pienempi kuin työkäämin kautta kuormaan saatavan signaalin teho. Näiden suhteellinen ero määrää tehovahvistuksen. Tehovahvistus määräytyy pääasiassa magneettisydämen laadun ja käämien kierrosmäärien perusteella. Magneettivahvistimen taajuuskaistaa on mahdollista kasvattaa käyttöjännitteen taajuutta kasvattamalla, mutta ferromagneettisen magneettisydämen ominaisuudet määrittelevät taajuuskaistan ylärajan.
Yksinkertaisimmillaan magneettivahvistin voi olla pelkkä kyllästyvä kuristin, jollaista on käytetty vaihtovirran säätämiseen ainakin 1900-luvun alusta. Burgess ja Frankenfield ratkaisivat kyllästyvän kuristimen muuntajavaikutuksen ylimääräisellä ohjausvirtapiiriin kytketyllä suodatuskuristimella. Crocker ja Alexanderson ratkaisivat ongelman käyttämällä kahta työkäämiä. Crockerin keksintöön kuuluu yksi ohjauskäämi ja kolmihaarainen magneettisydän. Alexandersonin keksintöön kuuluu kaksi keskenään identtistä yksivaiheista muuntajaa muistuttavaa kyllästyvää kuristinta, joiden työkäämit on kytketty joko sarjaan tai rinnakkain ja ohjauskäämit on kytketty keskenään vastakkaisvaiheisesti sarjaan. Ohjauskäämien vastakkaisvaiheisen kytkennän ansiosta kyllästyvän kuristimen toiminta muuntajana estyy, eikä käyttöjännite häiritse ohjausta.

Sovelluksia

Magneettivahvistimen toimintaperiaate ja mitoitus poikkeavat suuresti muista vahvistimista, mutta sille on kehitetty lukuisia sovelluksia, jotka ovat suurelta osin päällekkäisiä muuntyyppisten vahvistimien kanssa. Erinomaisen säteilykestävyytensä ansiosta magneettivahvistimia on käytetty ydinreaktoreiden mittausvahvistimissa. Tietokoneiden ferriittirengasmuistit perustuivat magneettivahvistimien myötä kehitettyyn magneettiseen digitaalilogiikkaan. Myös kokonaan magneettilogiikalla toimivia digitaalisia laskimia valmistettiin. Nykyään magneettivahvistimet ovat yleisiä hakkuriteholähteiden matalajännitteisissä apuregulaattoreissa.
Diodien avulla magneettivahvistimiin on saatu runsaasti lisää erilaisia mahdollisuuksia. Magneettivahvistimia on diodien avulla nopeutettu ja monipuolistettu. H-siltakytketty magneettivahvistin voi vahvistaa signaalin lineaarisesti laajalla alueella nollan molemmin puolin. Tämäntyyppisiä magneettivahvistimia voi käyttää esimerkiksi audiovahvistimina, kunhan käyttöjännitteen taajuus on riittävän suuri. Audiovahvistimissa ja monissa muissa vahvistimissa ei tarvita signaalin tasakomponentin vahvistusta, jolloin on mahdollista toteuttaa vahvistin yksinkertaisemmilla rakenteilla. Kyllästyvän kuristimen avulla on myös kokeellisesti toteutettu radiovastaanottimia.