Magnetvõimendi

Magnetvõimendi on elektrivoolu tugevuse, pinge või võimsuse võimendi, mille talitlus põhineb ferromagnetsüdamike magneetumisomaduste mittelineaarsusel. Magnetvõimendi patenteeriti 20. sajandi alguses. Magnetvõimendit on võrdlemisi hõlpus ehitada ning ta on küllaltki töökindel. Algselt palju kasutust militaar-, lennundus- ja merendusvaldkonnas leidnud võimendi on tänapäevaks aga asendatud väiksemate ja efektiivsemate elektrooniliste lahendustega.

Magnetvõimendi tööpõhimõte
Magnetvõimendi töö põhineb ferromagnetsüdamiku küllastusnähtusel, kusjuures südamik moodustab ühtlasi magnetahela kahe elektriahela vahel. Südamiku küllastumiseks nimetatakse seisu, kus magnetvoog südamikus enam oluliselt ei suurene, vaatamata magnetvälja tugevuse suurendamisele. Südamiku küllastamiseks vajaliku maksimaalse magnetvoo saavutamiseks on vaja, et südamikule mõjuks juhtimisahelast piisav väline magnetomotoorjõud. Magnetvõimendi puhul on selleks jõuks alalisvool, mis tekitab südamikus võimalikult suure magnetvoo tiheduse ning viib sellega südamiku küllastusse. Magnetomotoorjõud sõltub keerdude arvust ja neid läbiva voolu tugevusest.

Magnetomotoorjõud
  
kus
  on pooli keerdude arv,
  on voolu tugevus ().

Koormus asub magnetvõimendi vahelduvvooluahelas. Võimendusena käsitletakse väikest pinge muutust juhtimisahelas, mis tekitab suure voolu muutuse koormusahelas. Vajadusel lisatakse sinna ka pinge alaldamiseks või häirete vähendamiseks lisakomponendid. Selline võimendi võimaldab milliamprises suurusjärgus tüürvooluga tüürida amprisuuruseid koormusvoole.

Magnetvälja toime südamikus
Kui alalisvool läbib magnetsüdamikule keritud pooli L1 keerdude arvuga N1, tekitab see muutumatu magnetvälja pooli ümber ja püsiva magnetvoo südamikus. Pooli L2 (keerdude arvuga N2) läbib vahelduvvool, mis loob selle ümber muutuva magnetvälja. Seega toimivad ühes südamikus korraga kaks magnetvoogu, kus üks on püsiv ja teine muutuv. 
Mähist L1 läbiva alalisvoolu suurendamisega saab muuta südamiku küllastust. Küllastuse suurenedes väheneb südamiku magnetiline läbitavus, mistõttu väheneb teise pooli induktiivsus ja seega ka tema takistus vahelduvvoolule ning suurem võimsus jõuab koormusesse Rk. Selline lülitus võimaldab väga väikese vooluga tüürahelas muuta koormusahela pooli induktiivtakistust ning seega ka koormusele ülekantavat võimsust.

Südamike valik
Sõltuvalt südamiku ristlõikepindalast, materjalist ja kujust avaldavad need kogu ahela tööle erinevat mõju. Mida suurema ristlõikepindalaga südamik ja keerdude arv sellel valida, seda suuremaks muutub pooli induktiivsus. Ühtlasi suureneb siis ka tema induktiivtakistus:

 

kus
  on pooli induktiivsus (),
  on keerdude arv,
  on südamiku ristlõikepindala (),:  on magnetiline läbitavus,
  on suhteline magnetiline läbitavus,
  on toroidi ümbermõõt mõõdetuna keskjoonel ().

Erinevast materjalist südamikud omavad ka nendele iseloomulikku magneetuvust iseloomustavat karakteristikut. Sõltuvalt karakteristiku lineaarse osa tõusust võib võimendus olla väga erinev. Mida paremini ja kiiremini südamik voolumuutusele reageerib, seda suurem võimendus on võimalik saada ning seda rutem südamik küllastub.

Rõngassüdamiku kasutamine
Kuna alalis- ja vahelduvvooluahelad on ühendatud ühe ja sama magnetahela kaudu, siis võib liiga suure vahelduvvoolu korral koormusvool sattuda ka kontrollahelasse. Selle tagajärjel on kontrollahela töö häiritud ning tüürimine pole enam võimalik. Lisaks võib see kontrollahela üldse rikkuda. Selle vältimiseks võib kaks toroidi ühendada jadamisi. Lülituse miinuseks on aga see, et minimaalse või olematu kontrollvoolu puhul, ei ole võimalik koormusahelas voolu täielikult peatada, sest pool ei saa omada lõpmata suurt impedantsi vahelduvvoolule. Sellise väikse voolu lekkimist koormusesse aitab ära hoida erinevate dioodlülituste kasutamine.

Kolmeharulise südamiku kasutamine
Kolmeharuline südamik on efektiivsem kui rõngassüdamik. Oma ehituse tõttu on võimalik vabaneda vahelduvvoolu mõjust kontrollahelale. Kui vahelduvvool läbib poole, on nendes oleva voolu suund üksteise suhtes alati vastupidine, kuid kumbki ühtib alati kontrollahela suunaga. Seega tekib küllastusseisund südamiku kummalgi poolel kordamööda.

Mitme südamiku kasutamine
Mitme südamiku kasutamine aitab vabaneda ühele südamikul keritud koormusahela mõjust kontrollahelale. Kummagi drosseli ferromegnetsüdamikul on üks mähis (1 ‒ 2) tüürahelas ja teine (3 ‒ 4) koormusahelas. Koormusahela mähised on ühendatud jadamisi koormusega Rld ja seda ahelat toidetakse vahelduvvooluga (klemmidelt Xld-1 ‒ Xld-2). Tüürahela mähised on samuti jadalülituses, kuid ühendatud magneetimistoimelt vastassuunas; niisuguse ühenduse korral mõjutab tüürvool küll südamike magneetumust, kuid selle voolu muutused ei transformeeru töömähistesse. Tüürvooluks on klemmidele Xc-1 ‒ Xc2 antav alalisvool, mille suurusest sõltub südamike magnetiline läbitavus. Koos magnetilise läbitavusega muutub koormusahela vahelduvvoolumähiste induktiivsus ja vastavalt muutub ka neid läbiv koormusvool.

Seesugune drosselmagnetvõimendi võib kuuluda vooluvõimenduslülitusse, milles toimib täiendavate nihkemähiste ja sildlülituses dioodide abil magnetsüdamikku küllastav tagasiside. Nii saavutatakse signaali lineaarne võimendus küllaltki laias sagedusalas.

Magnetvõimendi ühendamine dioodsillaga
Kui koormuseks on alalisvoolu tarbiv seade, siis on vaja koormusahelas vahelduvvool alaldada, kasutades selleks enamasti sildalaldit. Väljundpinge pulsatsiooni vähendamiseks võib lisada silukondensaatori.

Eelised ja puudused
Selline seade sobib hästi võimendiks mitmesugustesse lülitusseadmetesse, sensoritesse ja stabilisaatoritesse, sest lubab väljundvoolu muuta väga väikse sammuga. Seadet on võimalik ehitada ilma liikuvate osadeta, mis tagab pika eluea. Võimalik on reguleerida suuri võimsusi. Magnetvõimendit on lihtne hooldada. Ohutust parandab ka sisendi ja väljundi vaheline galvaaniline eraldus.

Magnetvõimendi tööd võivad mõjutada pinge kõikumised alalispingeahelas, mis kajastuvad võimendatult väljundis. Võimatu on saavutada lõpmata suurt pooli induktiivtakistust vahelduvvooluahelas. Seetõttu on võimendi väljundis teatav nullist erinev vool. Seetõttu vajab võimendi lisakomponente stabiilsuse hoidmiseks.

Vaata ka
Magnetahel
Magnetiline hüsterees

Viited

Allikad
ENE, 6. köide, 1992
 Magnetic Amplifiers Working Principles and Applications

Jõuelektroonika