자기 증폭기

자기 증폭기(, 구어로 "mag amp")는 전기 신호를 증폭하기 위한 전자기 장치이다. 자기 증폭기는 20세기 초에 발명되었으며, 견고함과 높은 전류 용량이 요구되는 곳에서 진공관 증폭기의 대안으로 사용되었다. 제2차 세계 대전 당시 독일은 이 유형의 증폭기를 완성하여 V-2 로켓에 사용했다. 자기 증폭기는 1947년부터 트랜지스터가 대체하기 시작한 1957년경까지 전력 제어 및 저주파 신호 응용 분야에서 가장 두드러지게 사용되었다. 오늘날 자기 증폭기는 안전이 중요하거나 신뢰성이 높아야 하는 경우, 또는 매우 까다로운 몇몇 응용 분야를 제외하고는 대부분 트랜지스터 기반 증폭기로 대체되었다. 트랜지스터와 자기 증폭기 기술의 조합은 여전히 사용되고 있다.

 작동 원리 
섬네일|right|자기 증폭기의 원리를 보여주는 가포화 리액터
외관상 자기 증폭기 장치는 변압기와 비슷해 보일 수 있지만, 작동 원리는 변압기와 상당히 다르다. 기본적으로 자기 증폭기는 가포화 리액터(saturable reactor)이다. 이는 특정 종류의 변압기 코어가 가진 비선형적 특성인 코어의 자기 포화를 이용한다. 제어된 포화 특성을 위해 자기 증폭기는 일반 변압기에서 흔히 사용되는 완만하게 가늘어지는 B-H 곡선과 대조적으로, 매우 직사각형에 가까운 특정 B-H 곡선 모양을 갖도록 설계된 코어 재료를 사용한다.

전형적인 자기 증폭기는 물리적으로 분리되어 있지만 유사한 두 개의 변압기 자기 코어로 구성되며, 각 코어에는 제어 권선과 AC 권선이라는 두 개의 권선이 있다. 또 다른 일반적인 설계는 위의 사진에서 보는 것과 같이 숫자 "8" 모양의 단일 코어에 하나의 제어 권선과 두 개의 AC 권선을 사용하는 것이다. 저임피던스 소스에서 나오는 작은 직류 전류가 제어 권선에 공급된다. AC 권선은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있으며, 이 구성에 따라 다른 유형의 자기 증폭기가 된다. 제어 권선에 공급되는 제어 전류의 양은 코어가 포화되는 AC 권선 파형의 지점을 설정한다. 포화 상태에서 포화된 코어의 AC 권선은 고임피던스 상태("꺼짐")에서 매우 저임피던스 상태("켜짐")로 전환된다. 즉, 제어 전류가 자기 증폭기가 "켜지는" 전압 지점을 제어한다.

제어 권선의 상대적으로 작은 직류 전류로 AC 권선의 큰 교류 전류를 제어하거나 전환할 수 있다. 그 결과 전류 증폭이 이루어진다.

AC 전류가 제어 권선에 높은 전압을 발생시키기 때문에 두 개의 자기 코어를 사용한다. 이들을 반대 위상으로 연결함으로써 두 전압이 서로 상쇄되어 제어 회로에 전류가 유도되지 않도록 한다. 위에서 설명한 "8"자 모양 코어의 대안 설계도 자기적으로 동일한 목적을 달성한다.

 장점 
자기 증폭기는 움직이는 부품이 없는 정적인 장치이다. 마모 기재가 없으며 기계적 충격과 진동에 대한 내성이 좋다. 예열 시간이 필요하지 않다.
자기 코어에 제어 권선을 추가하여 여러 개의 절연된 신호를 합산할 수 있다. 자기 증폭기의 권선은 유사한 반도체 장치보다 일시적인 과부하에 대한 내성이 높다. 자기 증폭기는 전류 측정 및 플럭스 게이트 나침반과 같은 응용 분야에서 트랜스듀서로도 사용된다. 자기 증폭기의 리액터 코어는 중성자 방사선에 매우 잘 견딘다. 이러한 특수한 이유 때문에 자기 증폭기는 원자력 발전 분야에서 사용되어 왔다.

 한계 
단일 단계에서 얻을 수 있는 이득은 전자 증폭기에 비해 제한적이고 낮다. 고이득 증폭기의 주파수 응답은 여자 주파수의 약 10분의 1로 제한되지만, 이는 종종 상용 주파수보다 높은 전류로 자기 증폭기를 여자함으로써 완화된다. 반도체 전자 증폭기는 자기 증폭기보다 더 작고 효율적일 수 있다. 바이어스 및 피드백 권선은 일방향이 아니며 제어되는 회로에서 제어 회로로 에너지를 다시 결합할 수 있다. 이는 전자 장치와 비교할 때 다단 증폭기 설계를 복잡하게 만든다.

섬네일|left|약 50% 포화 상태에서의 자기 증폭기 출력 파형(보라색). 입력(노란색)은 120 VAC 60 Hz이다. left|섬네일|자기 증폭기 출력 파형 주파수 스펙트럼 자기 증폭기는 전부 홀수 고조파로 구성된 상당한 고조파 왜곡을 출력 파형에 도입한다. 이를 대체한 실리콘 제어 정류기나 트라이악(TRIAC)과 달리, 이러한 고조파의 크기는 주파수에 따라 급격히 감소하므로 라디오 수신기와 같은 인근 전자 장치와의 간섭은 흔하지 않다.

 응용 
자기 증폭기는 라디오를 통한 음성 전송의 초기 개발 단계에서 변조 및 제어 증폭기로 중요했다. 자기 증폭기는 2킬로와트 알렉산더슨 교류 발전기의 음성 변조기로 사용되었으며, 무선 통신에 사용되는 대형 고주파 교류 발전기의 키잉 회로에도 사용되었다. 또한 송신되는 무선 주파수의 정확도를 유지하기 위해 알렉산더슨 교류 발전기의 속도를 조절하는 데에도 사용되었다. 자기 증폭기는 대형 고출력 교류 발전기를 전신용으로 켜고 끄거나 음성 변조를 위해 신호를 변화시키는 데 사용되었다. 교류 발전기의 주파수 한계는 다소 낮아서 교류 발전기가 생산할 수 있는 것보다 높은 무선 주파수를 생성하기 위해 주파수 승산기를 활용해야 했다. 그럼에도 불구하고 철분 코어를 포함하는 초기 자기 증폭기는 약 200 kHz 이상의 무선 주파수를 생성할 수 없었다. 증폭기가 더 높은 주파수를 생성할 수 있도록 하기 위해서는 페라이트 코어나 유입 변압기와 같은 다른 코어 재료가 개발되어야 했다.

작은 제어 전력으로 큰 전류를 제어할 수 있는 능력 덕분에 자기 증폭기는 무대 조명 및 광고판의 조명 회로 제어에 유용하게 사용되었다. 가포화 리액터 증폭기는 산업용 용광로의 전력 제어에 사용되었다. 가변 AC 전압 제어기로서의 자기 증폭기는 대부분 실리콘 제어 정류기나 트라이악으로 대체되었다. 자기 증폭기는 일부 아크 용접기에서 여전히 사용된다.

소형 자기 증폭기는 라디오 튜닝 표시기, 소형 모터 및 냉각 팬 속도 제어, 배터리 충전기 제어 등에 사용되었다.

자기 증폭기는 조명 제어뿐만 아니라 초기 스위칭 모드(SMPS) 전원 공급 장치의 스위칭 소자로 광범위하게 사용되었다. 반도체 기반의 고체 스위치가 이를 대거 대체했지만, 최근 작고 신뢰성 있는 스위칭 전원 공급 장치에 자기 증폭기를 사용하는 것에 대한 관심이 다시 생겨나고 있다. PC용 ATX 전원 공급 장치는 보조 측 전압 조정을 위해 종종 자기 증폭기를 사용한다. 스위치 모드 전원 공급 장치를 위해 특별히 설계된 코어는 현재 Metglas 및 Mag-Inc를 포함한 여러 대형 전자기 회사가 생산하고 있다.

자기 증폭기는 홀 효과 전류 트랜스듀서로 교체되기 전까지 기관차에서 바퀴 미끄러짐(wheel slip)을 감지하는 데 사용되었다. 두 개의 견인 전동기에서 나온 케이블이 장치의 코어를 통과했다. 정상 작동 중에는 두 전류가 같고 방향이 반대이므로 결과 자속은 0이었다. 바퀴가 미끄러지는 동안 전류가 달라져 결과 자속이 발생하고, 이것이 제어 권선 역할을 하여 AC 권선과 직렬로 연결된 저항기에 전압을 발생시켜 바퀴 미끄러짐 보정 회로로 전송되었다.

자기 증폭기는 고전압에 직접 연결하지 않고도 높은 직류 전압을 측정하는 데 사용할 수 있으므로 HVDC 기술에서 여전히 사용된다. 측정할 전류는 두 개의 코어를 통과하며, 아마도 견고한 버스 바를 통해 흐를 것이다. 이 버스 바에는 전압 강하가 거의 없다. 제어 전류 버스 바의 암페어 턴(ampere turns)에 비례하는 출력 신호는 자기 증폭기의 교류 여자 전압에서 파생되며, 버스 바에 생성되거나 유도되는 전압은 없다. 출력 신호는 버스 바와 자기적으로만 연결되어 있으므로 버스는 계측 장치에 대해 어떠한 EHT 전압에서도 매우 안전하게 유지될 수 있다.

계측용 자기 증폭기는 깨끗한 전자기 환경이 매우 바람직한 우주선에서 흔히 발견된다.

독일 전쟁해군은 자기 증폭기를 광범위하게 사용했다. 이들은 마스터 안정 요소 시스템, 함포 제어를 위한 저속 전송, 지시 및 거리 측정기, 회전 및 고저 제어에 사용되었다. 자기 증폭기는 신뢰성 높은 반도체가 출현하기 전 항공기 시스템(항공전자)에서 사용되었다. 초기 자동 착륙 시스템을 구현하는 데 중요했으며, 콩코드는 디지털 전자 장치를 사용한 시스템이 개발되기 전에 엔진 공기 흡입구 제어를 위해 이 기술을 사용했다. 자기 증폭기는 V-2 로켓의 안정기 제어에도 사용되었다.

 컴퓨팅에서의 사용 

자기 증폭기는 1950년대에 메인프레임 컴퓨터의 잠재적인 스위칭 소자로 널리 연구되었다. 트랜지스터와 마찬가지로 자기 증폭기는 전형적인 진공관보다 다소 작았으며, "타버리는" 일이 없어 유지보수 요구 사항이 획기적으로 낮다는 큰 장점이 있었다. 또 다른 장점은 단일 자기 증폭기를 사용하여 단일 코어에서 여러 입력을 합산할 수 있다는 것이었으며, 이는 부품 수를 크게 줄일 수 있어 산술 논리 장치(ALU)에서 유용했다. 특수 진공관도 같은 일을 할 수 있었지만 트랜지스터는 할 수 없었기에, 트랜지스터가 비싸고 신뢰할 수 없었던 시절에 자기 증폭기는 진공관과 트랜지스터의 장점을 결합할 수 있었다.

자기 증폭기의 원리는 자기 디지털 논리 게이트를 만들기 위해 비선형적으로 적용되었다. 그 시대는 1950년대 중반부터 새로운 제조 기술이 트랜지스터를 크게 개선하고 가격을 획기적으로 낮춘 1960년경까지로 짧았다. 오직 한 대의 대규모 자기 증폭기 기계만이 생산에 들어갔는데, 그것이 UNIVAC Solid State였다. 하지만 Ferranti Sirius, Ferranti Orion, English Electric KDF9, 혹은 단발성인 MAGSTEC과 같이 1950년대 후반에서 1960년대 초반의 여러 현대적 컴퓨터들이 이 기술을 사용했다.

 역사 
 초기 개발 
전압원과 직렬로 연결된 가변 저항기는 신호를 증폭하는 가포화 리액터의 제어 코일과 같은 저저항 부하에 대한 직류 신호원으로 간주될 수 있다. 따라서 원칙적으로 가포화 리액터는 이미 증폭기이지만, 20세기 이전에는 1885년경부터 조명 및 전기 기계 제어와 같은 간단한 작업에 사용되었다.

1904년 무선 개척자 레지널드 페센든은 먼 거리까지 연속파 무선 전송을 하는 데 사용될 100 kHz 주파수의 교류를 생성할 수 있는 고주파 회전 기계식 교류 발전기를 제너럴 일렉트릭사에 주문했다. 설계 작업은 제너럴 일렉트릭의 엔지니어 에른스트 알렉산더슨(Ernst F. Alexanderson)에게 맡겨졌고, 그는 2 kW 알렉산더슨 교류 발전기를 개발했다. 1916년까지 알렉산더슨은 대양 횡단 무선 통신을 위해 이 회전식 교류 발전기의 송신을 제어하고자 자기 증폭기를 추가했다.

1917년 동안 이루어진 실험적인 전신 및 전화 시연은 특히 대서양을 가로지르는 대서양 횡단 전신 케이블의 부분적인 실패를 고려할 때 미국 정부의 관심을 끌었다. 50 kW 교류 발전기는 미국 해군에 의해 징발되어 1918년 1월에 가동을 시작했고, 200 kW 발전기 세트가 제작되어 설치된 1920년까지 사용되었다.

 전력 생산에서의 사용 
자기 증폭기는 1960년대 초반부터 전력 생산 분야에서 광범위하게 사용되었다. 이들은 밀리와트(mW) 수준의 작은 오차 신호에서 100 킬로와트(kW) 수준까지 발전기 자동 전압 조정기(AVR)를 위한 소신호 증폭을 제공했다. 이는 다시 회전 기기(여자용 발전기)에 의해 일반적인 500 MW 발전소 터빈 발전기 유닛에 필요한 여자 전력 수준인 5 메가와트(MW) 수준으로 변환되었다. 이들은 내구성이 뛰어나고 신뢰할 수 있음이 입증되었다. 많은 장치가 1990년대 중반까지 가동된 것으로 기록되어 있으며, 일부는 여전히 오래된 발전소, 특히 캘리포니아 북부에서 운영되는 수력 발전소에서 사용되고 있다.

 잘못된 명칭 사용 
섬네일|320px|right|스웨덴 엔지니어 라르스 룬달(Lars Lundahl)이 설계한 실제 자기 오디오 증폭기. 최종 전력 증폭 단계에서 가포화 리액터를 활용한다.
1970년대에 로버트 카버는 여러 고품질 고출력 오디오 증폭기를 설계하고 생산하면서 이를 자기 증폭기라고 불렀다. 사실 이들은 특이한 전원 공급 회로를 가진 대부분의 측면에서 전통적인 오디오 증폭기 설계였다. 이들은 이 문서에서 정의된 자기 증폭기가 아니었다. 실제 자기 오디오 증폭기와 혼동해서는 안 된다.

 같이 보기 
 
 
 

 각주 

 
 
 
 
 
 

 외부 링크 

 
 
 
 

분류:전자기 구성요소
분류:증폭 회로
분류:전력 전자공학