![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/320/3a3/0b8/3203a30b8048719f66c228bf19215ac0.png)
Магнитные усилители были альтернативой хрупким электронным лампам и дорогим транзисторам в середине XX века. Созданные американцами и усовершенствованные немцами они применялись в автоматике на фабриках, в компьютерах, на электростанциях, в военной технике и даже на атомных подводных лодках. Относительно недорогие, многофункциональные и компактные, они прошли длинный путь от изобретения до признания и исчезновения. Делимся историей магнитных усилителей и отвечаем на вопрос, почему и куда они пропали.
На пути между электронной лампой и транзистором
Сначала была изобретена электронная лампа, которую спустя полвека сменил транзистор – мы воспринимаем эту последовательность как исторический факт.
Электронная лампа была спроектирована физиком Флемингом в 1904-м и представляла собой устройство в форме герметичной стеклянной трубки для управления электрическим током. Её использовали как современные транзисторы: как переключатель, усилитель, генератор и выпрямитель тока. Она стала неотъемлемым компонентом электроники первой половины прошлого столетия и повлияла на развитие радио, телевидения и компьютеров.
Состоявшая из катода, производящего электроны, и анода – их принимающего, она была лишена всего воздуха, который является проводником. В конструкции использовалась нагревательная нить, которая потребляла много энергии и выделяла тепло, а потому КПД, срок службы и прочность устройства были низкими. Со временем трубки совершенствовались, стали компактными и более эффективными, но в конце 1970-х практически полностью исчезли с рынка (до сих пор используются в радиостанциях с высокими частотами).
![Электронные лампы, использовавшиеся в компьютерах середины XX века Электронные лампы, использовавшиеся в компьютерах середины XX века](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/e06/f58/969/e06f5896968f84fb57dcf32c89fedf6e.jpeg)
В 1949 году физики Шокли, Бардин и Браттейн сконструировали первый транзистор, за что получили Нобелевскую премию. Изобретённый по случайности компактный цилиндр размером чуть более сантиметра применялся в слуховых аппаратах, часах и телефонии, а затем полностью вытеснил электронные трубки несколько десятилетий спустя. Этому способствовало открытие и изучение свойств полупроводника – кремния.
Но между двумя изобретениями, простимулировавшими технический прогресс, было ещё одно не менее интересное – магнитный усилитель. Созданный и забытый американцами, а затем возвращённый к жизни и усовершенствованный немцами, магнитный усилитель, или mag-amp, был популярной альтернативой электронным лампам в середине XX века.
Магнитный усилитель (МУ) использовал переменный ток, тогда как электронная лампа – постоянный. Он также выступал в роли усилителя мощности, а не напряжения.
Перспективное изобретение, канувшее в прошлое
Первый магнитный усилитель появился в 1901 году – за несколько лет до усилителя на электронной лампе. В книге Пола Мали, преподавателя электротехники и математики, упоминается и более ранняя дата – 1885 год.
Применение для mag-amp нашёл пионер электроники, швед по происхождению – Эрнест Александерсон. Эмигрировавший в США инженер занимался разработкой высокочастотного генератора и стал применять магнитные усилители с 1916 года. Генератор переменного тока, созданный для трансатлантической радиотелефонии, использовал mag-amp для модуляции выходного сигнала передатчика в соответствии с силой речевого сигнала.
Однако, считавшиеся медленными, громоздкими и малоэффективными магнитные усилители не получили признания в Штатах и были вытеснены электронными лампами, так и не успев распространить своё влияние дальше, чем на светорегуляторы в кинозалах.
![Магнитный усилитель Магнитный усилитель](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/690/49f/c30/69049fc30af85c6c559096d797217cf5.jpeg)
Несмотря на это, пропавшее с радаров американской электроники устройство сыграло важную роль во Второй мировой войне. Ракета V-2, превратившая кварталы Лондона в руины в 1944-м, и многое другое военное оборудование нацистской Германии использовало магнитные усилители – и делало это эффективно.
В годы между двумя мировыми войнами немецкие учёные и инженеры довели mag-amp до ума. Разведка США после завершения Второй Мировой прочесала миллиарды страниц документов и отправила на изучение около двух сотен экземпляров немецких промышленных механизмов, и секрет превращения гадкого утёнка в прекрасного лебедя был раскрыт. Для создания усилителей немцы использовали новые металлические сплавы, которые увеличили эффективность и надёжность конструкции.
Материал, применяемый в mag-amp военной Германии, назывался Permenorm 5000-Z – сплав 50% никеля и 50% железа высочайшей степени очистки от примесей, который расплавлялся в вакууме. Затем сплав подвергался холодной прокатке, намотке, отжигу в водородной среде и резкому охлаждению. Такая технология заставляла кристаллы металлов ориентироваться таким образом, что они вели себя как единый кристалл с однородными свойствами.
![Ориентация доменов железа – а) в ненамагниченном железе, б) в состоянии насыщения Ориентация доменов железа – а) в ненамагниченном железе, б) в состоянии насыщения](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/cc8/886/c02/cc8886c0222b6fe845eb2eb5176bcb2a.jpeg)
Железно-никелевые сплавы впоследствии применялись для сердечников дросселей насыщения, но только для малых и средних мощностей. Причина крылась в высокой стоимости материала и небольшой в сравнении с кремнием индукцией насыщения.
Возрождение магнитных усилителей описывается в одном из учебных пособий для ВМС США, изданном в 1950-х:
«Большинство инженеров считают, что магнитный усилитель изобрели немцы, но это американское изобретение. Они взяли за основу нашу простую, примитивную разработку, улучшили её эффективность, уменьшили массу и объём, расширили границы применения и вернули нам».
Простой и надёжный: конструкция магнитного усилителя
Что же представлял собой магнитный усилитель?
Представьте простую катушку индуктивности: проволоку, обмотанную вокруг железного стержня (сердечника). Когда ток протекает по проводнику, внутри стержня возникает переменное магнитное поле. Если в переменном магнитном поле размещён проводник, то со временем внутри него появляется напряжение – и оно будет противодействовать переменному току.
Так вот, принцип работы магнитного усилителя основан на том, что присутствие намагниченного материала в сердечнике индукционной катушки увеличивает её сопротивление потоку переменного тока (импеданс).
В случае когда величина пропускаемого тока высока, железо, из которого изготовлен стержень, насыщается и перестаёт намагничиваться дальше. С этого момента ток проходит по проводнику практически без препятствий.
Внешне mag-amp похож на трансформатор: в центре конструкции находится железный стержень, на него намотаны два или более витка проволоки. Чаще всего сердечник представляет собой кольцевую (тороидальная форма) или квадратную рамку.
![Базовая схема магнитного усилителя, Популярная электроника, 1960-ые Базовая схема магнитного усилителя, Популярная электроника, 1960-ые](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/70f/f87/743/70ff8774389b7b7fff9f0adec7a2fc2d.jpeg)
Вторая обмотка нужна для управления – пропускаемый через неё постоянный ток позволяет насыщать сердечник или выводить его из состояния насыщения, вызывая увеличение или уменьшение магнитного потока, пронизывающего рамку. К выходной обмотке последовательно подключается выпрямитель, он позволяет остановить постоянную смену полярности источника переменного тока. А ток во вторичной обмотке протекает таким образом, чтобы магнитные потоки усиливали друг друга.
Обмотка управления потребляет небольшую мощность. Это позволяет, используя малую силу тока, регулировать в широком диапазоне мощность нагрузки. Поэтому рассматриваемое нами устройство и получило такое название – усилитель.
Mag-усилитель ведёт себя как переключатель – в состоянии насыщения ток проходит по обмотке беспрепятственно, в ненасыщении ток полностью блокируется.
Вот пример схемы магнитного усилителя, квалифицируемого как насыщаемый реактор. Такие использовались для регулирования освещения в театрах и кинотеатрах. Катушка большего размера (input) используется для управления, меньшая (load) называется нагрузочной.
![Насыщаемый реактор Насыщаемый реактор](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/851/cef/de7/851cefde70d693392c9cc49b983117ee.jpeg)
В катушке управления всегда больше витков. Их количество определяется таким правилом: «витки управления = витки нагрузки + дополнительное количество витков, необходимое для состояния полного насыщения».
В электротехнической литературе рабочие обмотки (нагрузка), которых в более сложных конструкциях может быть несколько, обозначаются «W». Они могут соединяться как параллельно, так и последовательно. Параллельное подключение помогает управлять током с высокими значениями, но имеет побочный эффект – медленный отклик в 1-3 секунды. Последовательно соединяют, если требуется высокое напряжение и быстрый отклик.
Витки обмотки управления Wy же могут иметь разные названия (положительной или отрицательной обратной связи, смещения и др.) – это зависит от выполняемых ими функций.
Чем хороши магнитные усилители?
Прежде всего магнитные усилители позволяли получить большое усиление сигнала по мощности. Одноступенчатые МУ, создаваемые в 1960-х, могли иметь коэффициент усиления порядка 200 тыс., что делало их гораздо более эффективными, чем электронные лампы. Для примера, такое усиление позволяло превращать несколько мВт мощности в обмотке управления в 25 кВт на выходе.
Усилители нашли широкое применение в момент их возвращения на арену электроники: они были надёжны, просты, не нуждались в регулярном обслуживании, обладали высокой механической прочностью и виброустойчивостью.
Главный элемент усилителя – магнит – мог использоваться при разных температурах, в условиях высокой влажности и загрязнённости воздуха, чем не могли похвастаться электронные лампы и транзисторы. Кроме того, mag-amp выделяли мало тепла, что позволяло сделать их компактными. Они почти не нуждались в вентиляции и охлаждении, не имели подвижных или хрупких элементов, потому не требовали частого техобслуживания и могли служить годами без участия человека.
Применение магнитных усилителей
Основным пользователем mag-amp была нацистская Германия. Усилители применялись в военной технике времён начала 1940-ых. Самый яркий пример – первая баллистическая ракета V-2, спроектированная Вернером фон Брауном. Траектория полёта ракеты выстраивалась с помощью встроенных гироскопа, компаса, датчиков скорости и высоты.
![Баллистическая ракета V-2 (Фау-2) Баллистическая ракета V-2 (Фау-2)](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/803/a61/6d9/803a616d901b500babd062bbe94b9bd2.jpeg)
Фон Браун «приручил» магнитные усилители, которые в то время были более надёжными и эффективными, чем полупроводниковые устройства, такие как селеновые выпрямители и кристаллические диоды. Информация о том, какие электрические схемы использовали немцы в производстве ракет, утрачена.
Несмотря на успех нацистов, американцы отказались от применения МУ в производстве ракет – они были в высокой степени подвержены влиянию электромагнитного импульса, возникающего при взрыве ядерной бомбы. Импульс мог уничтожить все полупроводниковые и магнитные приборы в радиусе 500 км, поэтому их заменили специальными электронными трубками.
Немцы также применяли магнитные усилители в электрических тормозах локомотивов, грузовых машин и трамваев. Их использовали и для управления высоковольтными системами электропитания, а также в приводах наведения корабельных орудий.
В послевоенные годы американцы нашли применение усовершенствованной в Германии технологии. Возможности магнитных усилителей были велики: они могли переключать, преобразовывать, модулировать и усиливать сигнал, позволяя получить миллионный выигрыш в мощности.
Преимущества магнитных усилителей, а в особенности виброустойчивость и низкий нагрев, позволили применять их в конструкциях управления атомным котлом на подлодках, а также в системах наведения ракет. Mag-amp также применялись для регулирования критических напряжений и токов трансатлантического кабеля и на сборочных установках завода компании Ford для управления потоком конвейеров (не изнашивались после нескольких миллионов операций).
![Атомная подводная лодка «Тритон» (1960-е) – сотни магнитных усилителей обеспечивают бесперебойную работу атомного котла Атомная подводная лодка «Тритон» (1960-е) – сотни магнитных усилителей обеспечивают бесперебойную работу атомного котла](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/851/08a/5af/85108a5afeb4ee8253348eda662f9a1f.jpeg)
«Бум» магнитных усилителей привёл к тому, что они использовались как регуляторы скорости на фабриках и выходного напряжения в турбогенераторах, для управления антеннами радаров на кораблях, лифтами, подъёмниками, кранами и станками.
Магнитные усилители использовали и в качестве блоков памяти в компьютерах, а в 1950-х учёные «научили» их вычислять. Выполнение разных логических функций было возможным благодаря размещению нескольких обмоток – это позволяло комбинировать входные сигналы.
Использовать mag-amp в компьютерах стали после 1956-го, когда компания Sperry Rand представила усилитель Ferractor, который мог работать на частоте в несколько МГц. Размеры Ferractor были очень маленькими: провод обмотки имел толщину всего в 3 мкм. Новинка стала компонентом военного компьютера Кембриджского исследовательского центра – его сборка включала 1,5 тыс. «ферракторов». Позднее на базе этого компьютера Sperry Rand начала производить и свои Univac и STEP, вторые продавались сотнями экземпляров.
![Первое поколение компьютеров Sperry Rand Первое поколение компьютеров Sperry Rand](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/db0/710/c82/db0710c824c90d76866ef65b81cce4d6.png)
Несмотря на это, модели на магнитных усилителях работали не так хорошо, а проектировщики сталкивались со множеством технических трудностей. Скачок в производстве транзисторов стал постепенно вытеснять mag-amp в середине 1950-х. Хотя компьютеры с МУ и показывали лучшие результаты, транзисторы обеспечивали гораздо более надёжное усиление.
Позднее в целях экономии некоторые компьютеры всё ещё включали в себя транзисторы в сочетании с магнитными усилителями, потому что первые «били по кошельку». Примером является цифровой Elliott 803, поставленный в количестве 211 копий в 1960-х.
Магнитные усилители – всё?
Недорогие, надёжные, прочные, позволяющие получить невероятные выигрыши в мощности. Почему они были вытеснены электронными лампами и транзисторами?
Прежде всего, МУ имеют ограниченную частотную характеристику, а также более низкое в сравнении с лампами входное сопротивление. Потому могут обеспечить лишь конечный прирост мощности (трубка в теории способна дать и бесконечный). Кроме того, магнитный усилитель требует технологических затрат – в зависимости от назначения его конструкция будет отличаться (количество витков обмотки, материал, тип соединения и др.)
Когда стоимость транзисторов упала, а надёжность возросла, они начали быстрыми темпами вытеснять mag-amp. Но усилители вернулись в оборот в конце XX века – правда, применение их ограничено. В середине 1990-х стандарт ATX для персональных компьютеров требовал тщательно отрегулированного источника питания напряжением 3,3 В. Mag-amp стал недорогим и эффективным устройством для регулирования напряжения, поэтому его начали применять в качестве стабилизатора в блоках питания ПК. Но возвращение было недолгим, вскоре его начали заменять более эффективными регуляторами постоянного тока.
![Магнитный усилитель (mag-amp) в блоке питания Магнитный усилитель (mag-amp) в блоке питания](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/0d5/206/3d8/0d52063d81f7e71c65a1ea533b50d71a.jpeg)
Зато магнитные усилители не покинули поле автоматики. Например, их широко используют для регулирования мощности дизельных генераторов на российских тепловозах и экскаваторах. Они являются компонентами системы автоматического регулирования напряжения (СВГ), а также встречаются в сварочных выпрямителях (например, ВДГ-303). Mag-amp часто мелькают на зарубежных и российских форумах радиолюбителей – умельцы применяют их как компоненты аудиоустройств.
Спроектированные в начале 20 века, возрождённые в 1940-х и затем снова, пусть и ненадолго, в 1990-х, магнитные усилители сегодня рискуют остаться артефактом истории. Но кто знает, может, они вернутся в мир электроники уже в третий раз?