О магнитных усилителях

О магнитных усилителях
автор Олег Владимирович Лосев

Опубл.: июнь 1921. Источник: Лосев О. В. У истоков полупроводниковой техники. Избранные труды / отв. ред. Г. А. Остроумов — Л.: «Наука», Ленингр. отд., 1971. — С. 5—10.

Нижегородская радиолаборатория.

1. Магнитные усилители до сих пор применяются только лишь при радиопередаче, на приемных же радиостанциях они не могут вытеснить катодных усилителей. Главной причиной является то, что они могут усиливать приходящие сигналы только в цепи переменного тока, меняя ее эффективное сопротивление в такт приходящим колебаниям. Если же эта цепь настроена на частоту своего тока, приходящие колебания еще и расстраивают ее.

Рис. 1.

Рис. 2.

Обычный магнитный усилитель Александерсона непригоден для усиления сигналов в цепях постоянного тока, потому что приходящие весьма слабые колебания, пропускаемые через катушку 1 (рис. 1), на столько (в каждый данный момент) ослабляют насыщение железа в одной катушке (например, 2), на сколько в другой (3) одновременно усиливают. Вследствие этого самоиндукция цепи II остается постоянной. Конечно, эти соображения не касаются передачи с подобным усилителем, потому что здесь сила магнитного поля, созданного микрофонным током, бывает одного порядка с силой поля высокочастотных токов.

Рис. 3.

Рис. 4.

Для того чтобы осуществить изменение коэффициента самоиндукции цепи II, можно применить схему, показанную на рис. 2. Рассмотрим действие этой схемы сначала при постоянном токе, протекающем по цепи II. Катушки 2 и 3, как и в обычном усилителе Александерсона, навиты в противоположные стороны так, чтобы магнитный поток, создаваемый ими, имел направление, указанное сплошными стрелками; числа витков обмоток 2 и 3 подбираются из расчета, чтобы цепи I и II не были индуктивно связаны. Так как сердечник обмотки 2 имеет большее сечение, чем сердечник 3, интенсивность намагничивания в нем будет меньше, чем в 3. Регулируя силу постоянного тока, протекающего по цепи II, и вместе с тем напряженность магнитного поля H, можно сделать так, чтобы сердечник 2 работал на том месте кривой изменения магнитной проницаемости μ, которое отмечено на рис. 3 цифрой 2, а сердечник 3 — в точке, отмеченной цифрой 3. Тогда приходящие колебания ослабят насыщение в одном сердечнике и усилят в другом, коэффициент самоиндукции цепи II все-таки изменится. Если поле катушки I в данный момент будет направлено по прерывистым стрелкам (рис. 2), магнитная проницаемость в обоих сердечниках увеличится и точки 2 и 3 на рис. 3 передвинутся вверх. Связи между цепями I и II не будет по-прежнему, потому что в обоих сердечниках проницаемость изменится в одинаковом направлении и почти на равную величину, что неосуществимо в усилителе Александерсона. Как видно из рис. 3, если ток цепи II меняется в таких пределах, что проницаемость не опускается ниже прерывистой линии, описанное явление сохранится. Таким образом, накладывая на постоянный ток переменный, можно осуществить усиление, конечно, в пределах до прерывистой линии.

Более просто можно воспользоваться для устройства усилителя, как предложил Коэн, схемой рис. 4. Здесь обе обмотки навиты перпендикулярно друг другу на общий железный куб, так что между ними нет индуктивной связи, но изменение магнитной проницаемости все-таки достигается, так как магнитные поля обеих обмоток складываются по правилу параллелограмма. Как и раньше, вследствие этого в такт приходящим колебаниям изменяется коэффициент самоиндукции цепи II, и она расстраивается с частотой генератора G, изменяется также ее эффективное сопротивление.

2. Как известно, величина удельной энергии магнитного поля железного сердечника

$\mu \,H^{2}/8\,\pi =Q$

зависит от магнитной проницаемости железа. Здесь H — напряженность магнитного поля. Намагничивая сердечник постоянным током и меняя его проницаемость посредством приходящих сигналов, можно заставить энергию Q, запасенную в нем, уменьшаться или увеличиваться; конечно, при этом в цепи II (рис. 5) ток будет изменяться. Изменением магнитной энергии, казалось бы, и можно воспользоваться для усиления сигналов посредством постоянного тока. На схеме рис. 5 приходящие колебания меняют проницаемость железа, а значит, и самоиндукцию цепи II, причем энергия, запасенная батареей B в сердечнике, предположительно должна выделяться в сопротивлении. Но эту энергию нельзя использовать для усиления сигналов: хотя при переходе ее к источнику B и обратно ток в цепи II изменяется, вся энергия на сопротивлении r выделяется за счет первичных колебаний (конечно, мощность, которая выделяется постоянно на сопротивлении r от постоянного тока, мы не рассматриваем). Таким образом, несмотря на полное отсутствие индуктивной связи между цепями, энергия может передаваться из одной цепи в другую, причем можно сделать так, чтобы энергия передавалась только из цепи I в цепь II, но не обратно, или же взаимно из одной цепи в другую.

Рис. 5.

Рис. 6.

Для пояснения обратимся к электростатике. Пусть имеется цепь, состоящая из конденсатора C₁, емкость которого можно менять, батареи В и сопротивления r (рис. 6). Если движением руки изменять емкость конденсатора C₁, по сопротивлению потечет ток (для простоты будем его считать постоянным). Следовательно, в нем будет выделяться энергия, причем вся энергия возникнет за счет работы руки.

Раздвигая обкладки конденсатора, мы работаем против сил поля; количество электричества на обкладках будет уменьшаться, вследствие чего потечет ток i через сопротивление r и на нем появится разность потенциалов E, которая сложится с основным напряжением V. Таким образом, нам придется работать против V+E. При сдвигании пластин, наоборот, между обкладками конденсатора будет разность, потенциалов V—E, где E=ir, так что обратно вся затраченная работа возвращена не будет, как было бы в отсутствие сопротивления r. Так как добавочная разность потенциалов E, которая складывается с основной V при работе против сил поля и вычитается из нее при работе в направлении этих сил, есть то напряжение, которое появляется на r, вся энергия, выделившаяся в нем, получится за счет внешней работы. Для того чтобы яснее показать, что энергия электростатического поля, накопленная между обкладками, не расходуется в реостате r, можно заменить батарею B эквивалентно заряженным конденсатором C₂ достаточно большой емкости (рис. 7) так, чтобы при изменении емкости C₁ напряжение на C₂ практически не менялось.

Рис. 7.

Рис. 8.

Тогда при обратном изменении C₁ энергия распределится по-прежнему и выделится на сопротивлении та, которую мы затратили извне. Даже при прерывном изменении емкости конденсатора C₁ (например, параллельном присоединении еще одной емкости) нельзя заставить энергию источника В (рис. 6) выделиться в сопротивлении r. Конечно, в первый момент, когда эта добавочная емкость не заряжена, по r пойдет ток и в нем выделится энергия от батареи, но присоединение незаряженной емкости не будет равноценно одному только изменению электрической постоянной цепи: если бы эта емкость была заряжена заранее до такого же потенциала V, ток в цепи не появился бы.

Если взять конденсатор с диэлектриком, у которого диэлектрическая проницаемость меняется с напряжением поля, и менять емкость электрическим путем посредством другой цепи (I) с переменной эдс (рис. 8), получится то же самое. Как видно, емкостной связи между этими цепями нет, но если взять такой диэлектрик, у которого диэлектрическая проницаемость изменяется с изменением напряженности поля, энергия может передаться из цепи I в цепь II, когда между обкладками второй цепи возбуждено электрическое поле, которое обнаружится на сопротивлении r. Эта энергия опять выделится за счет цепи I. На рис. 8 круг А представляет в увеличенном виде молекулу диэлектрика. Когда не было поля I, электрон был смещен в положение a. Когда оно возникает и складывается с полем II по правилу параллелограмма, электрон смещается в положение b, если диэлектрическая проницаемость остается неизменной при любом напряжении поля. Но у нас с увеличением напряжения поля диэлектрическая проницаемость уменьшается, так что электрон достигает только положения c. Как видно (рис. 8), поле I сдвигает электрон против поля II на расстояние d, а как мы видели раньше, из-за этого происходит передача энергии из цепи I в сопротивление r цепи II. Таким образом, если бы в этот момент не было разности потенциалов между пластинами цепи II, энергия не передалась бы. И в обратную сторону энергия может передаваться при условии, что в данный момент существует разность потенциалов между обкладками цепи I. Таким путем может быть осуществлена униполярная передача энергии.

Все сказанное относится также к цепям с самоиндукциями, по которым течет постоянный ток. Так как в железе магнитная проницаемость меняется с напряжением магнитного поля, передаваемая таким способом энергия может быть довольно значительна, как, например, в магнитном усилителе Коэна. Отсюда следует, что магнитный усилитель переменного тока, питаемый постоянным током, невозможен, потому что энергия, заключенная в железе, с изменением проницаемости не выделяется на сопротивлении r, а возвращается в источник. Выделяется лишь та энергия, которая передается через только что рассмотренную молекулярную связь от первичного источника энергии.

Июнь 1921 г.