Kyllästyvä kuristin

Kyllästyvä kuristin, siirtokuristin tai viertokuristin on välttämätön komponentti kaikissa magneettivahvistimissa. Kyllästyvä kuristin voi myös yksinään olla magneettivahvistin, jos siinä on kahden työkäämin tasapainotettu rakenne. 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, säädellään tavallisesti tasavirralla.
Toimintaperiaate.
Kyllästyvän kuristimen toiminta perustuu ferromagneettisen sydämen magneettiseen kyllästymiseen tai permeabiliteetin muutoksiin. Näissä käytetään erityyppisiä magneettisydämen materiaaleja toimintaperiaatteen mukaan. Permeabiliteetin vähittäisiin muutoksiin perustuvassa kyllästyvässä kuristimessa ei tavoitella magneettisydämen äkillistä 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. Kyllästyvän kuristimen sydämelle on tyypillistä suuri magnetointivastus, pieni magnetointivirta vuon kyllästymisrajojen sisäpuolella ja äkillinen 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.
Historia.
Mekaanisesti säädettäviä kuristimia käytettiin valaistuksen säätöön jo 1800-luvun lopulla. Kuristimen magneettipiiriä avaamalla saatiin vähennettyä induktanssia, jolloin vaihtovirta kuristimen läpi kasvoi. Charles F. Burgess ja Budd Frankenfield keksivät, että ferromagneettisen muuntajasydämen magneettista kyllästymistä voisi käyttää sähkövirran säätämiseen esimerkiksi hehkulamppuvalaistuksessa. Francis Crocker keksi miten kahden työkäämin rakenteella voitiin kumota muuntajavaikutus. Amerikanruotsalainen Ernst Alexanderson oivalsi kyllästyvän kuristimen mahdollisuudet ja ryhtyi käyttämään keksimäänsä magneettivahvistinta tehokkaissa radiolähettimissä.
Mekaaniset rakenneratkaisut.
Tasavirtaohjattu kyllästyvä kuristin koostuu tavallisesti magneettiteräksestä laminoidusta kolmihaaraisesta magneettisydämestä, jonka keskimmäisen haaran ympärille on käämitty ohjauskäämi ja kahteen ulommaiseen haaraan työkäämit.
Merkittävin luokittelu aiheutuu työkäämien lukumäärästä:
William Geyger esitteli kuusi yleistä rakenneratkaisua jälkimmäisen luokan toteuttamiseksi:
# Kaksi erillistä rengassydämistä kyllästyvää kuristinelementtiä.
# Kaksi erillistä laminoiduista magneettisydämistä muodostettua kyllästyvää kuristinelementtiä. Tämä on toimintaperiaatteeltaan täysin edellistä vastaava.
# Yksi kolmihaarainen magneettisydän, joka muodostaa kaksi magneettipiirin silmukkaa ja jonka keskimmäiseen haaraan on käämitty ohjauskäämi ja ulommaisiin haaroihin työkäämit.
# Yksi kolmihaarainen magneettisydän, jossa on häiritsevien hystereesi-ilmiöiden eliminoimiseksi halkaistu keskihaara, johon on käämitty ohjauskäämi ja ulommaisiin haaroihin työkäämit. Käämien rakenteen suhteen tämä on täysin vastaava kuin edellisessä kohdassa.
# Kaksi kolmihaaraista magneettisydäntä, joiden keskihaaroihin on käämitty erilliset työkäämit ja edellisten päälle yhteinen työkäämejä peittävä ohjauskäämi. Nämä käämit voidaan valmistaa sisäkkäisiin kelarunkoihin ennen kokoonpanoa.
# Kaksi rengassydäntä, joihin on ensin erikseen käämitty työkäämit, minkä jälkeen käämityt rengassydämet on yhdistetty ja edellisten käämien päälle on käämitty yhteinen työkäämejä peittävä ohjauskäämi.
Käämit.
Lineaarisessa kuristimessa on tavallisesti yksi käämi ja muuntajassa ensiökäämi ja vähintään yksi toisiokäämi. 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.
Kyllästyvän kuristimen ja magneettivahvistimen ero.
Sekaannuksen välttämiseksi "kyllästyvä kuristin" ja "magneettivahvistin" erotellaan toisistaan seuraavasti:
Kyllästyvän kuristimen ja magneettivahvistimen eroa on verrattu elektroniputken ja putkivahvistimen eroon. Vastaava vertaus voidaan ulottaa myös transistoreihin ja transistorivahvistimiin.
Kyllästyvän kuristimen ja lineaarisen kuristimen ero.
Näennäisestä rakenteen samankaltaisuudesta huolimatta kyllästyvä kuristin on hyvin erilainen kuin lineaarinen kuristin. Nimityksen samankaltaisuus saattaa aiheuttaa sekaannuksia. Ne eivät ole sama asia eivätkä keskenään vaihtokelpoisia. Ominaisuudet, jotka tekevät lineaarisesta kuristimesta ideaalisen, tekevät kyllästyvästä kuristimesta kelvottoman.
Kyllästyvän kuristimen ja lineaarisen kuristimen sähköisiä ominaisuuksia:
Kyllästyvän kuristimen ja lineaarisen kuristimen rakenteellisia ominaisuuksia:
Transduktori.
Transduktori (engl. "transductor") on kyllästyvän kuristimen erikoistapaus. Joissain lähteissä transduktori on määritelty samoin kuin kyllästyvä kuristin. Toisissa lähteissä transduktori tarkoittaa nimenomaan sellaista kyllästyvää kuristinta, jossa on kaksi työkäämiä muuntajavaikutuksen kumoamista varten. Joissain lähteissä on lisäksi tarkennettu, että transduktorissa on kaksi magneettisydäntä. Riippuen transduktorin mekaanisesta kokoonpanosta, siinä voi olla kaksi ohjauskäämiä tai yksi ohjauskäämi. Transduktorin nimityksen käytölle on ollut kannattajia lähinnä Britanniassa ja Skandinaviassa. Jonkin verran vastustusta sen käytölle ilmeni, koska englannin kielen sanat "transductor" ja "transducer" muistuttavat toisiaan, vaikka niillä on aivan eri merkitykset.