Dawno, dawno temu za siedmioma górami i siedmioma morzami młody elektronik po studiach poszedł na praktykę wojskową. Jakie było jego zdziwienie gdy po kursie został skierowany do obsługi systemu APN w którym podstawową rolę spełniały wzmacniacze magnetyczne, a o których nie miał zielonego pojęcia, jako świeżo upieczony absolwent elektroniki.

APN – Автоматический прибор наведения – Automatyczny przyrząd naprowadzania, był w dużym uproszczeniu  analogowym systemem naprowadzania lotnictwa myśliwskiego  Mig-21, na wykryte i śledzone obiekty latające przez stacje radiolokacyjne. Zasady działania wzmacniacza magnetycznego w trakcie kursu omówione zostały ogólnikowo na poziomie wojskowym bez wchodzenia w szczegóły teoretyczne, na które nie było czasu. Na zdobycie szczegółowych informacji na temat teorii wzmacniaczy magnetycznych nie było szans, tym bardziej, że nie było jeszcze Internetu ani dostępu do literatury fachowej. Wprawdzie była instrukcja obsługi APN, ale   oczywiście tajna, której analiza w warunkach wojskowych była prawie niemożliwa. Nie było również czasu na naukę, ponieważ liczyła się przede wszystkim gotowość bojowa, a tym samym sprawność systemu APN, podczas częstych ćwiczeń lotniczych. Teraz po latach jest okazja na remanent patentowy w celu uzupełnienia braków wiedzy w zakresie podstaw działania wzmacniaczy magnetycznych, które  miałem okazje obsługiwać podczas praktyki wojskowej.

   W wyniku przeprowadzonych poszukiwań patentowych okazało się, że pierwsze wzmacniacze magnetyczne zostały opatentowane przez Charles F. Burgess i Budd Frankenfield  w 1903 roku w Stanach Zjednoczonych. Patent US720884  REGULATION OF ELECTRIC CIRCUITS, Data patent 17.02.1903 zawiera pierwsze konstrukcje wzmacniaczy magnetycznych, których istotą jest sterowanie natężeniem  prądu zmiennego w obwodzie z regulowanym dławikiem magnetyczny, którego indukcyjność zespolona XL jest regulowana poprzez zmianę natężenia sterującego prądu stałego. Prąd sterujący reguluje wartość strumienia magnetycznego dławika, który wywołuje zmianę indukcji magnetycznej B oraz przenikalności magnetycznej µ rdzenia co prowadzi ostatecznie do zmiany indukcyjności wypadkowej uzwojenia dławik XL stanowiącego element szeregowy w obwodzie obciążenia prądu zmiennego. Według opisu patentowego z 1903 roku opatentowana metoda regulacji obwodów elektrycznych sprowadza się w praktyce do sposoby zmiany indukcyjności  w obwodzie prądu zmiennego.  Przykładowo, spadek indukcyjności włączonej szeregowo w obwód prądu zmiennego  pozwoli na zwiększenie prądu generowanego przez źródło napięcia zmiennego, który  zasila  obciążenie, podczas gdy wzrost indukcyjności zmniejsza prąd  dostępny w obwodzie obciążenia. Wynalazek polega więc na nowatorskim sposobie zmiany indukcyjności w obwodzie elektrycznym w celu regulacji prądu i potencjału, która jest zrealizowana w postaci  cewki magnetycznej  z drutu nawiniętego na rdzeń z materiału paramagnetycznego, w postaci miękkiego żelaza. Według opisu patentowego indukcyjność cewki nawiniętej na rdzeniu z materiału paramagnetycznego jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości bezpośredniego namagnesowania, regulowanej  natężeniem   prądu stałego  w obwodzie  cewki sterującej w/w rdzenia.

Fig.1- przedstawia uproszczony schemat obwodu regulacji  prądu zmiennego wyposażony w dławik w dwa  oddzielne uzwojenia dla prądu przemiennego, jak i prądu stałego.

Fig.2- jest schematycznym przedstawieniem cewki indukcyjnej mającej tylko jedno uzwojenie zarówno dla prądu przemiennego, jak i prądu stałego ;

Fig.3- przedstawia schematyczne modyfikacje urządzenia według wynalazku, w którym pokazano dodatkową cewkę dławiącą, aby zapobiec nadmiernemu przepływowi prądu przemiennego w wyniku działania efektu transformatorowego w cewce  prądu stałego magnetyzującej rdzeń;

Fig.4- jest schematyczną reprezentacją obwodów wykonawczych urządzenia do stosowania w zastrzeżonej metodzie regulacji;

Fig.5,6- przedstawiają obwody kompensacyjne urządzenia według wynalazku, które zapewniają minimalizowanie indukowanej naprzemiennej siły elektromotorycznej w cewce prądu stałego;

Fig.7- pokazuje uproszczony schemat obwodu regulacji prądu zmiennego wyposażony w dławik o konstrukcji z poprzecznie magnesowanym rdzeniem przez  cewki indukcyjne ( prądu stałego i zmiennego);

Fig. 8 – pokazuje inny układ do realizacji obwodu z Fig.7, w którym cewka indukcyjności jest umieszczona w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny cewki prądu stałego;

Fig. 9 -12 przedstawia konstrukcje oraz modyfikacje układu regulacji prądu zmiennego według wynalazku.

 Odnosząc się do rysunków, Fig.1, A reprezentuje źródło energii elektrycznej (pokazane jako generator prądu zmiennego), podczas gdy obwody a i b tworzą  sieć, w której znajdują się  urządzenia zasilane, np.: lampy oświetleniowe c . Odpowiednia indukcyjność jest wprowadzana do obwodu głównego a-b, zobrazowana  jako rezystancja indukcyjna B, nawinięta na rdzeń C materiału paramagnetycznego, korzystnie miękkiego żelaza. Na rdzeniu C jest również umieszczona cewka D, której obwód zawiera zmienną rezystancję R i odpowiednie źródło prądu stałego E (pokazane jako generator),  które może być również być baterią lub akumulatorem. Zasada działania regulacji w obwodzie a-b sprowadza się do zmiany namagnesowania rdzenia C poprzez zmianę  prądu stałego w obwodzie cewki D. Fig.2 przedstawia modyfikacje wynalazku, która polega na zastosowaniu jednej cewki B dławika z rdzeniem C, która realizuje dwie funkcje: zmiennej indukcyjność w obwodzie prądu zmiennego a-b oraz funkcje bezpośredniej magnetyzacji rdzenia poprzez zmianę wartości  prądu stałego  w obwodzie szeregowym zawierającym  źródło napięcia  E  oraz regulowany potencjometr R. Problem kompensacji prądu zmiennego w cewce  magnetyzującej D, rozwiązano poprzez zastosowanie dodatkowego dławika F w obwodzie prądu stałego, Fig.3, lub w wyniku zastosowania dławika  z poprzecznie magnesowanym rdzeniem  przez cewki indukcyjne ( prądu stałego i zmiennego), Fig. 5-7. Rdzeń G, Fig.5 ma szczelinę powietrzną f, a cewki prądu przemiennego i prądu stałego są tak nawinięte w taki sposób, że następuje minimalizacja indukowanej zmiennej siły elektromotorycznej w uzwojeniu prądu stałego, cewki h i i. Kolejny sposób kształtowania obwodu magnetycznego i uzwojeń na nim, według Fig.7 polega na tym, że cewka H, ​​przewodząca  prąd przemienny, jest nawinięta na dwa ramiona k-l  rdzenia G, podczas gdy cewka I, przewodząca prąd stały, jest nawinięta na dwa ramiona m-n w taki sposób, że kierunek pola magnetycznego  wytwarzany przez jedną ze wspomnianych cewek znajduje się zasadniczo pod kątem prostym do kierunki pola wytworzonego przez drugą z wymienionych cewek, co zapewnia, że  a efekt transformacji prądu zmiennego  w cewce prądu stałego jest zmniejszony.

   Wracając do współczesności w celu ugruntowania praktycznej zasady działania tego typu wzmacniaczy należy podkreślić, że wzmacniacz magnetyczny według definicji to  układ elektryczny wykorzystujący do wzmacniania zmniejszenie impedancji (indukcyjności) uzwojenia N_L przez podmagnesowanie rdzenia  ferromagnetycznego, przez uzwojenie sterujące  prądu stałego N_C. Dla rdzenia nienasyconego impedancja uzwojenia  N_L jest duża, a dla nasyconego mała.         

      Wzmacniacz wykorzystuje nieliniowość pętli histerezy przesuwając sygnałem sterującym DC jego punkt pracy. Zasilany jest napięciem zmiennym albo impulsami i sterowany prądem stałym lub zewnętrznym polem magnetycznym. Prądem stałym podmagnesowuje się rdzeń dławika zmieniając jego indukcyjność i impedancje uzwojenia N_L, a  przez  to  i  prąd  w  obwodzie  obciążenia  R. Dla ilustracji zasady działania przedstawionego układu wzmacniacza można w przybliżeniu zastosować zależność wyznaczającą indukcyjność cewki z rdzeniem ferromagnetycznym.  Ponieważ indukcyjność cewki L można zapisać następującym wzorem:  L = μ0μr N _L N _L A / l,  gdzie: μ0 to przenikalność magnetyczna próżni, μr względna przenikalność  magnetyczna rdzenia, A to powierzchnia przekroju cewki, N_L  liczba  zwojów zaś l to długość cewki.  Dla cewki z rdzeniem wykonany z materiału ferromagnetycznego  przenikalności magnetyczna μr  osiąga wartość rzędu od kilkuset do kilku tysięcy.  Wzór jest poprawny dla cewek długich dla których  jednostką indukcyjności jest henr [H].  Jeżeli całkowity opór cewki magnetycznej, który zapisujemy następującym wzorem:    Z =√ R2 + (ωL)2 ,  to wówczas według prawa Ohma można zapisać zależność prądu  w   obwodzie  z  cewką magnetyczną w następującej postaci:                  I = U/ √R2 + (ωL)2.  

     Zasada regulacji sprowadza się więc do regulacji zmian indukcyjności w obwodzie napięcia zmiennego wzmacniacza magnetycznego poprzez zmianę indukcji magnetyczne B (a pośrednio przenikalności magnetycznej rdzenia  μr ), zależnej od natężenia pola magnetycznego H wywołanego przez  prąd stały w  obwodzie sterowania  wzmacniacza magnetycznego według przedstawionego wykresu  krzywej magnesowania. Ilustracje właściwości rdzenia magnetycznego można zobrazować krzywą magnesowania i przenikalności maksymalnej dla ferromagnetyków, gdzie: przenikalność magnetyczna  to  wielkość określająca zdolność danego materiału (ośrodka) do zmiany indukcji magnetycznej przy zmianie natężenia pola magnetycznego. 

      

Ponieważ istotnym problemem konstrukcji wzmacniaczy magnetycznych jest zwrotne przenikanie, (transformowanie), sygnału zmiennego podlegającego regulacji do obwodu sterującego prądu stałego to opracowano specjalne  konstrukcje w/w wzmacniaczy, których celem jest kompensacji zakłóceń zmiennych.         

   

Rysunek ilustruje kompensacje wpływu zmiennego strumienia magnetycznego A-c flux na zmiany strumienia regulacyjnego Ed-c wzmacniacza magnetycznego. Jako ciekawostkę ilustrującą praktyczne konstrukcje wzmacniaczy magnetycznych występujących w systemie APN można przedstawić rozdział  oryginalnej instrukcji technicznej w części dotyczącej jedynie układów zastosowanych wzmacniaczy  Oсновные счетно-решающйе элеметы, глава VI    APNWZMmag.

Wnioski: Wzmacniacz magnetyczny został wynaleziony na początku XX wieku i był używany jako alternatywa dla wzmacniaczy lampowych, w których wymagana była solidność i duża wydajność prądowa. Podczas II wojny światowej Niemcy udoskonalił ten typ wzmacniacza co pozwoliło na jego zastosowanie przez  Krigsmarine w obwodach  automatyka systemów uzbrojenia oraz w układach sterowania  stabilizatorami rakiet V2. Wzmacniacze magnetyczne zastosowano również  samolotach Concorde, gdzie pracowały w układzie automatyki wlotów powietrza silników odrzutowych. Po wojnie wzmacniacze magnetyczne był stosowane do sterowania mocą sygnałów niskiej częstotliwości, do około 1957 r., kiedy pojawiła się technika tranzystorowa i wówczas zostały  w dużej mierze zastąpione przez wzmacniacze tranzystorowe, za wyjątkiem zastosowań wojskowych, lub w aplikacjach o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa i wysokiej niezawodności. Obecnie wzmacniacze magnetyczne używane są  często w konstrukcjach zasilaczy PC ATX  do regulacji napięcia po stronie wtórnej. Rdzenie zaprojektowane specjalnie do zasilaczy impulsowych są obecnie produkowane przez kilka dużych firm elektromagnetycznych, w tym Metglas i Mag-Inc.

      Dla czytających przedstawiany artykuł z dopuszczeniem do dokumentów tajnych jako ciekawostkę przedstawiam oryginalną instrukcje aparatury APN, którą obsługiwałem razem z zespołem techników, 45 lat temu. Ze względu na duży rozmiar pliku oryginalnej instrukcji  w PDF, zdobyta w Internecie instrukcja APN jest spakowana i zapisana w wysoce efektywnej metodzie kompresji obrazu DjVu. https://armyman.info/books/id-12812.html.    W celu przeglądania instrukcji APN niezbędne jest zainstalowanie i uruchomienie szybkiej, bezpłatnej przeglądarki plików  DjVu, której plik instalacyjny jest do pobrania pod adresem.  https://www.dobreprogramy.pl/WinDjView,Program,Windows,13244.html

Wesołych Świąt i Szczęśliwego Nowego Roku 2018 życzy dla dociekliwych sympatyków patentów, autor.

Uwaga: Oryginalny plik z Instrukcją APN – 12812_[Armyman.info].djvu    posiada wielkość 3,828MB , natomiast po przetworzeniu do formatu PDF osiąga wielkość 152,192 MB , co jest powodem jego braku w treści w/w artykułu. W przypadku kłopotów ze ściągnięciem w/w pliku instrukcji APN oferuje jego przesłanie  pocztą mailową.

PS.  Pierwszy rozdział instrukcji 12812_APN zawiera podstawowe wiadomosci na temat struktury konstrukcji APN – Автоматический прибор наведения.