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).
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.
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.
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.
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.
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.
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).
«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.
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.
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?
