Amplificadores magnéticos

Introducción
Para el artículo por la carencia de información, nos remitimos a la “Universidad de la Habana” en agosto del 1955, analizamos el diseño de J.R. Bernard, que versa de forma densa y amplia sobre este tipo de amplificadores, que aparecen en la historia en el 1800, hoy una asignatura pendiente en la formación de los jóvenes profesionales de electrónica y también en la carrera de ingeniería.

Para los jóvenes. Se deberá leer despacio, verás que es fácil comprenderlo, aunque parezca lo contrario. Es imprescindible conocer la electrónica de potencia para conocer las fallas en temas posteriores. Es de importancia porque es una tecnología también de aplicación en fuentes de televisores LCD por las compañías Sony y Philips. Además en la industria, en la regulación y la excitación de alternadores, en la regulación de los hornos eléctricos o el control de velocidad de los motores eléctricos y la tecnología aeroespacial, por lo que, para resolver los problemas en ellos, es necesario saber cómo funcionan.

Historia del amplificador magnético

La historia se estremece al reconocer que en el periodo antes de las válvulas termoiónicas o de vacío de Fleming y De Forest en 1919-1926, los amplificadores magnéticos se empleaban en los megáfonos de los camiones anunciantes: fueron los primeros amplificadores de audio para el servicio público y su desarrollo fue paralelo al de las válvulas electrónicas. El desarrollo de estos amplificadores fue abandonado por un tiempo por el uso de las válvulas electrónicas, pero fueron nuevamente utilizados por necesidad ante segunda guerra mundial, por la seguridad en su funcionamiento, la flexibilidad de operación, su estabilidad y el alto grado de amplificación sin necesidad de mantenimiento y atención.

La aplicación como amplificador de audio tuvo éxito desde el 1916 cuando se estableció (Fig.1) la comunicación radial entre Europa y los Estados Unidos de forma permanente en la radio de onda larga.
El uso en aplicaciones militares se justificó porque el amplificador magnético es un equipo de larga vida que absorbe fácilmente las sacudidas y vibraciones que suceden en los eventos bélicos, así como su peso reducido, para aquella época por debajo al de las válvulas electrónicas cuando operaban a frecuencias de 400Hz y porque no necesitaban previo calentamiento para funcionar, ni tenían partes móviles.

El amplificador magnético

El amplificador magnético es una variedad de convertidor electrónico, este es el modelo descrito y realizado por J.R. Bernard. El amplificador (fig.2) está construido con dos arrollamientos, uno de DC y otro de AC. Se ha de notar que la corriente alterna se moverá por los dos transformadores a través de las bobinas nombradas X1 y X2, y entre los núcleos A y B, estando los transformadores en una conexión serie, anulándose la influencia de los polos magnéticos de A hacia B en los dos devanados de control nombrados Y1 y Y2 al estar en oposición de fase. Las bobinas de control Y1 y Y2 están conectadas en serie y poseen un gran número de vueltas.

Si en ellas no se suministra tensión de directa (DC) no habrá saturación del núcleo magnético, en ese caso la impedancia de las bobinas X1 y X2 será muy alta, estableciendo una alta resistencia al flujo de corriente alterna (AC) y la carga hacia RL será baja. Pero cuando a las bobinas de control Y1 y Y2 se aplica, aunque fuese una pequeña corriente directa, la gran cantidad de vueltas arrolladas en ellas, inducirá la saturación del núcleo de los transformadores A y B, haciendo que las reactancias de X1 y X2 su impedancia se reduzca extraordinariamente y fluya una fuerte corriente hacia la resistencia de carga RL, de esta forma una pequeña tensión aplicada a las bobinas de control, tomará el manejo de una corriente alta para las bobinas X1 y X2. En estos casos, con una corriente de solo 100mA de DC se puede regular una potencia de salida de más de 10A de AC.

En la actualidad, la tendencia de los fabricantes de las fuentes conmutadas es incluir en sus circuitos electrónicos este tipo de amplificadores, cuando es preciso obtener una muy elevada corriente a la salida, porque simplifican el diseño y permiten una mayor frecuencia de conmutación.

Transformador saturable

Simplificación del transformador saturable en un solo núcleo magnético (Fig.3), que a pesar de lo sugestivo del nombre de "amplificador magnético" en ellos no existe amplificación, sino que se modela como inductancias saturadas, para que trabajen como reguladores. Es la inductancia saturable, la que actúa como un interruptor, pero un interruptor magnético, pues en pleno funcionamiento las bobinas presentan la característica de tener una alta impedancia, durante el periodo de apagado, y otra característica de baja impedancia cuando está en saturación o encendido.

Histéresis
La histéresis, es la tendencia de los materiales magnéticos que al saturarse retienen algo de su magnetismo después de la influencia de un campo magnético: es por eso que los núcleos más utilizados para las inductancias saturables en los amplificadores magnéticos son aquellos que presentan un ciclo de histéresis (BH) rectangular.

Por eso, los núcleos más utilizados por fabricantes son el Permalloy, el Hipernik V, o los núcleos toroidales de ferrita, también pueden utilizarse materiales amorfos basados en cobalto, ya que presentan una respuesta rectangular en el ciclo de histéresis.

La empresa Philips en sus diseños de convertidores con núcleos toroidales, por lo general utiliza el material de ferrita 3R1, porque tienen un ciclo de histéresis rectangular y al mismo tiempo es robusto y estable, por ende, ideal para la conmutación a través de señales PWM de control.

Frecuencia y topología
Las salidas de este tipo de amplificadores o mejor, convertidores, permite desde unos pocos vatios hasta unos cientos de vatios de salida, a frecuencias de conmutación entre los 20kHz y 100kHz, o pueden funcionar a frecuencias más elevadas, lo que reduce de forma inversa el tamaño físico de los toroides o transformadores.
Las topologías o tipos de convertidores pueden ser forward o utilizar los tipos Flyback o Push-Pull, este último algo típico en la TV-CRT de tecnología Sony.

Resumen
Se puede comprender por la simplicidad del circuito, la intención y la necesidad de la industria en electrónica en disponerlo para los diseños modernos en la medida que se desarrollan, por la seguridad y longevidad, y clasifican dentro de la Electrónica de Potencia. Haciendo notar después de analizarlos que, fueron ellos la chispa del genio en la construcción de los ulteriores dispositivos, como la válvula al vacío, los transistores bipolares y de efecto de campo, al introducir dentro de aquellos un electrodo de control, tal como sucede en los mencionados amplificadores magnéticos.

Introducción práctica a convertidores y fuentes conmutadas. Primera parte
Principios de las fuentes conmutadas, el Joule Thief y los convertidores DC/DC. Conocimientos fundamentales para comprender el funcionamiento de las fuentes de alta eficiencia de los televisores LCD.

Introducción práctica a convertidores y fuentes conmutadas. Segunda parte
La modulación por ancho de pulso (PWM), los diferentes tipos convertidores electrónicos y su funcionamiento, corrección del factor de potencia (PFC).