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.

Ominaisuuksia

Vahvuuksia
 Magneettivahvistimen kyllästyvän kuristimen magneettisydän ja käämilangat kestävät hyvin neutronisäteilyä. Tästä syystä magneettivahvistimia on käytetty ydinvoimasovelluksissa.
 Magneettivahvistin kestää korkeita lämpötiloja. Lämpötilan rajoitukset johtuvat tavallisesti käämien eristeistä ja diodeista. Magneettisydän ja käämilangan kupari kestävät korkeampia lämpötiloja tuhoutumatta.
 Sähköinen erotus ja DC-kytkentä toteutuvat magneettivahvistimessa samanaikaisesti tarvitsematta lisätä mitään virtapiirejä.
 Kulumattomuus. Magneettivahvistimen kyllästyvän kuristimen ominaisuudet eivät huonone käytössä.
 Ei tarvitse hehkuvirtaa eikä aiheuta hehkuttamiseen liittyvää hukkalämpöä ja käynnistysviivettä, toisin kuin putkivahvistimet.
 Sovelluksesta riippuen magneettivahvistimen hyötysuhde voi olla hyvin korkea, teoriassa lähellä 100%.
 Magneettivahvistimella on mahdollista saavuttaa yli 106 tehovahvistus yhdellä vahvistinasteella. Tosin magneettivahvistimilla suuri vahvistus saavutetaan pidentyneen vasteajan kustannuksella. Vertailun vuoksi yhden bipolaaritransistorin vahvistimella yli 105 tehovahvistus on vaikea saavuttaa.

Heikkouksia
 Vaihtojännitelähde on pakollinen.
 Vuorovaihetyyppisissä magneettivahvistimissa hyvän hyötysuhteen saavuttaminen on vaikeaa. Yli 50 % hyötysuhteen saavuttaminen puhtaasti magneettivahvistimen keinoin on saavutettavissa mutta lineaarisuuden kustannuksella. Eräs mahdollisuus tämän ongelman kiertämiseksi on yhdistää magneettivahvistin hakkuriteholähteen kanssa siten että teholähteen tasajännitevälipiiriä käytetään magneettivahvistimen virtapulssien vastajännitteenä.
 Magneettivahvistimelle tyypillinen matala tuloimpedanssi voi rajoittaa soveltuvia käyttökohteita.
 Magneettivahvistimen taajuusvaste riippuu käyttöjännitteen taajuudesta.
 Matalataajuisen käyttöjännitteen tapauksessa magneettivahvistimesta tulee suuri, painava ja kallis.
 Etenemisviive, joka riippuu käyttöjännitteen taajuudesta. Korkealla käyttöjännitteen taajuudella viive on pieni.
 Kyllästyvän kuristimen ferromagneettisen sydänmateriaalin ominaisuudet rajoittavat magneettivahvistimen taajuuskaistaa.

Kyllästyvän kuristimen ja magneettivahvistimen ero
Sekaannuksen välttämiseksi kyllästyvä kuristin ja magneettivahvistin erotellaan toisistaan seuraavasti: 
 Magneettivahvistin on virtapiirilaite, joka koostuu kyllästyvien kuristimien, tasasuuntaajien, vastusten ja tavanomaisten muuntajien yhdistelmästä, jota käytetään signaalin vahvistukseen. 
 Kyllästyvä kuristin on ensisijainen ja yhteinen komponentti kaikissa magneettivahvistimissa.
Kyllästyvän kuristimen ja magneettivahvistimen eroa on verrattu elektroniputken ja putkivahvistimen eroon. Vastaava vertaus voidaan ulottaa myös transistoreihin ja transistorivahvistimiin.

Kyllästyvä kuristin

Kyllästyvä kuristin on välttämätön komponentti kaikissa magneettivahvistimissa. Kyllästyvä kuristin yksinään voi olla magneettivahvistin, jos siinä on kahden työkäämin tasapainotettu rakenne, mutta pelkkä yksinkertainen yhden työkäämin kyllästyvä kuristin ei ole magneettivahvistin ellei siihen lisätä muita virtapiirielementtejä. Kyllästyvää kuristinta voidaan pitää virtapiirin elementtinä, jonka impedanssi on hyvin suuri käyttöjännitteen puolijakson yhden osan aikana ja hyvin matala puolijakson jälkimmäisen osan aikana. Siirtymä näiden tilojen välillä on äkillinen. Vaihekulmaa, jonka kohdalla impedanssi muuttuu korkeasta matalaan, tavallisesti säädellään tasavirralla.

Magneettivahvistimen kyllästyvän kuristimen sydämelle on tyypillistä suuri magnetointivastus, pieni magnetointivirta vuon kyllästymisrajojen sisäpuolella ja äkillinen sydämen magneettinen kyllästyminen rajan ylittyessä. Kyllästyneen kuristimen magnetointivastus häviää ja ainoastaan työkäämin resistanssi pysyy, kunnes käyttöjännitteen ja sen myötä työkäämin virran napaisuuden kääntyminen palauttavat kyllästyvän kuristimen sydämen magneettivuon alempaan arvoon.

Käämit
Magneettivahvistimen kyllästyvässä kuristimessa on erilaisia käämejä eri tehtävissä. Ne kuitenkin jakaantuvat kahteen pääluokkaan: ohjauskäämeihin ja pääkäämeihin.
1. Pääkäämit (engl. Main Windings)
1.1. Työkäämit (engl. Output Windings) Teho kuormaan kulkee työkäämien kautta. Tavallisesti magneettivahvistimissa ei ole muita pääkäämien luokkaan kuuluvia käämejä kuin työkäämit, mutta poikkeuksiakin on.
1.2. Tehokäämit (engl. Power Windings) Magneettivahvistimelle teho tulee käyttöjännitteestä tehokäämeille. Tavallisesti tehokäämit ovat myös työkäämejä, ja tällöin käytetään nimitystä työkäämi, mutta magneettivahvistimessa voi olla myös erilliset työkäämit ja tehokäämit.
2. Ohjauskäämit (engl. Control Windings)
2.1. Signaalikäämit (engl. Signal Windings) Vahvistettava signaali tuodaan signaalikäämille. Jos useita signaaleja täytyy summata magneettivahvistimessa, ne voidaan tuoda omille signaalikäämeilleen, ja tällaisissa tapauksissa signaalikäämejä voi olla useita.
2.2. Takaisinkytkentäkäämit (engl. Feedback Windings) Kuten vahvistimissa yleensä, erilaisia takaisinkytkentöjä voidaan tuoda eri paikoista. Magneettivahvistimissa takaisinkytkentään voidaan käyttää tarvittaessa useita käämejä.
2.3. Biasointikäämit (engl. Bias Windings) Vahvistimen toimintapisteen säätöön voidaan käyttää biasointikäämejä. Biasointikäämiin johdettu tasavirta siirtää toimintapistettä.
Vaikka edellä pääkäämit ja ohjauskäämit jaettiin erillisiin pääluokkiin, on olemassa myös magneettivahvistimen sovelluksia, joissa kyllästyvässä kuristimessa on vain yksi käämi. Hakkuriteholähteen apuregulaattorissa yksi käämi riittää. Tämän yhden käämin tehtävät työkääminä ja ohjauskääminä erotellaan diodeilla. Tästä poikkeuksellisesta mutta lukumääräisesti yleisestä sovelluksesta on olemassa myös poikkeuksen poikkeus, jossa hyödynnetään kahta käämiä.

Lähteet

Viitteet

62 Tekniikka, kulkuneuvot
Elektroniikka
Elektroniset piirit
Säätötekniikka
Sähkömagnetismi