Если вас попросить ответить быстро, не задумываясь, что приходит в голову при фразе «транзистор или…», — кто-то сразу скажет «реле», кто-то вспомнит про лампы, но наверняка почти никто не вспомнит и третий возможный вариант… ;-)
Но для начала, чтобы самим себе напомнить основы, давайте вкратце вспомним, зачем нужны реле или транзисторы?
Насколько известно, реле представляет собой реализацию на практике принципа «малый управляет большим» — то есть своеобразный электронный аналог рычага, когда небольшое усилие может управлять чем-то мощным, что в случае реле означает, что слабый ток может управлять большими токами, питающими нагрузку — мощный электродвигатель и т. д.
Реле* появились достаточно давно — насколько известно, ещё в 1830-х годах, и были разработаны американским учёным Джозефом Генри, который работал над усилением сигналов телеграфа.
*Здесь и далее мы говорим исключительно об электромеханическом реле; то, что в природе бывают и твердотельные реле, пока забыли. :-)
Принцип реле заключается в прохождении тока через катушку, что вызывает намагничивание сердечника и притягивание к нему якоря, в результате чего связанные с якорем контакты замыкаются:
На картинке выше показан более сложный вариант, однако в качестве более простой альтернативы одним контактом реле может выступать сердечник реле, а другим — притягиваемый якорь.*
*В детстве в каком-то из наборов а-ля «Юный конструктор» — у меня, помнится, было такое :-)
Таким образом, с реле становится всё понятно: это механический замыкатель, который имеет всего два чётких положения — замкнуто/разомкнуто.
В общем случае можно сказать, что реле обладает целым списком отрицательных качеств (что, впрочем, ему простительно, учитывая год его появления):
-
относительно большие габариты (читай «...и цена тоже»);
-
высокое потребление тока;
-
шум при работе;
-
невозможность работы на высоких частотах;
-
искренние и обгорание контактов;
-
нагрев катушки при работе;*
-
и главный минус: два чётких состояния (замкнуто/разомкнуто)**
*Этот момент можно считать относительной проблемой, так как промышленные реле рассчитываются таким образом, чтобы их катушки не боялись перегрева и могли быть запитанными долгое время от определённого уровня рабочего тока.
**Казалось бы, а почему мы, собственно, саму суть принципа работы реле записали в его минусы?! Ведь по идее, если реле выполняет то, ради чего оно создано, то всё и отлично? ;-) Но пока оставим этот момент и вернёмся к нему позже, а пока просто отметим его для себя…
Появление транзисторов дало совершенно новые, до этого неслыханные возможности: этот новый тип переключающего устройства теперь мог работать на очень высоких частотах, по сути выполняя ту же самую работу, что и реле, но и не только — в режиме неполного открытия, пропуская ток частично, что тоже может использоваться.*
*Правда, в этом режиме транзистор представляет собой активное сопротивление и хорошо так греется, поэтому зачастую вместо использования этого режима и из-за того, что он может переключаться быстро, для управления большими нагрузками используют ШИМ, в ходе которого происходит полное открытие и полное закрытие транзистора по определённой программе.
Таким образом, кроме миниатюрности (по сравнению с реле), мы видим, что транзистор положительно отличается быстродействием, что открывает новые возможности по импульсному высокочастотному открытию/закрытию.
Но это всё известные для многих факты, на которые имело смысл взглянуть кратенько ещё раз в связи с тем, что будет изложено далее.
А именно: ведь существовал период времени, когда транзисторов ещё не было, а реле уже были, то есть теоретически мы должны были бы подумать, что в этот период никаких вариантов плавного включения/выключения не существовало (ну, кроме, наверное, реостатов, но сейчас речь не о них :-) )?
А вот и нет: именно тогда в полную силу проявили себя удивительные устройства, о которых было упомянуто ранее — магнитные усилители.
Причём до того, как мы узнаем о них подробнее, надо сказать и о том, что по сути это было нечто гораздо более продвинутое, чем реле, и в какой-то мере можно даже сказать, что похожее на транзистор (отдалённо, но тем не менее):
-
управление большим током нагрузки осуществляется чем-то малым (малой силой тока);
-
высокочастотное переключение (меньше, чем у транзисторов, максимально — несколько килогерц);
-
как и транзисторы, в режиме неполного переключения могут рассеивать мощность в виде тепла (и не только, об этом будет ниже).
Очень похоже на транзистор, не так ли? И, тем не менее, это электромагнитная технология!
Таким образом, если мы вернёмся к тому моменту, который мы отметили для себя выше, насчёт реле, то мы явно видим, что даже переходная технология, не дотягивающая до транзисторов, уже превосходит реле — высокая частота, плавность переключения...
И самое главное: происходит это переключение электронным способом (что любопытно) без механических переключателей, что уже ставит технологию на голову выше, чем реле!
В основу этого устройства легли работы А. Г. Столетова (1871 г.), который обнаружил, что намагничивание ферромагнетиков не происходит пропорционально увеличению силы намагничивающего поля, а соответствует нелинейной функции: до определённого уровня повышения намагничивающего поля магнитная проницаемость растёт, после чего резко падает — именно это и можно видеть на картинке ниже, где в самом начале, в левой стороне, мы видим резкий пик, который спадает, несмотря на рост кривой намагничивания. Этот спад называется насыщением:
Какой практический вывод из этого следует: чтобы довести магнитную проницаемость ферромагнетика до максимального уровня, вовсе не обязательно вкачивать туда безумные поля — нужно всего лишь понимать величину поля, необходимого для конкретного ферромагнетика, и этого будет достаточно.
Каким образом это нам поможет?
Для этого у нас настало время ознакомиться с самим устройством и, несмотря на целый ряд вариаций, одна из конструкций схематически выглядит так:
На картинке выше мы видим два трансформатора, первичные обмотки которых (W1) подключены к источнику переменного тока, где последовательно подключена полезная нагрузка (Rн).
Также там мы видим вторичные обмотки (W2), которые подключены последовательно и встречно — это сделано для того, чтобы ЭДС, возбуждаемая первичными обмотками (во вторичных обмотках), во время протекания через них тока (когда будет подключена полезная нагрузка) не привела к проблемам: пережигание управляющих схем, паразитные наводки, мешающие управлению.
Благодаря такому подключению вторичных обмоток ЭДС в них равна нулю.
К слову, управляющие схемы как раз и подключены ко вторичным обмоткам.
Теперь, если мы ещё раз свежим взглядом посмотрим на картинку выше, то становится ещё более непонятно: вроде какой-то трансформатор, а вроде не трансформатор… Какие-то последовательные подключения нагрузки… Как вообще, чёрт возьми, это всё работает?! :-D
Для того, чтобы дать на это ответ, сделаем небольшое отступление назад, где, разбираясь с одной очень интересной темой, я выяснил для себя удивительную вещь: то, каким образом, удлинительные катушки работают на радиоантеннах.
Вкратце, если кто не в курсе: эти катушки используются для «виртуального» удлинения антенны, где одной из интересных функций этой катушки является создание своеобразного фильтра — который позволяет целевой частоте свободно проходить сквозь этот фильтр, а, например, другие, паразитные частоты — какие-то всплески, радиопомехи и т. д. — гасятся этим фильтром.
Выглядит довольно занудно, поэтому скажу проще: когда на антенну приходит волна, она, естественно, преобразуется в импульс электричества определённой частоты (связанной с длиной волны), и характеристики катушки подбираются таким образом, чтобы колебания тока целевой частоты свободно проходили сквозь неё.
Однако всё меняется, когда приходит нецелевой импульс — он также преобразуется в импульс электричества, который пытается пройти сквозь катушку, но мы знаем, что любой ток, проходящий сквозь проводник, приводит к образованию электромагнитного поля вокруг него, и катушка не исключение: в ней нарастает электромагнитное поле, которое тормозит прохождение импульсов!
Называется это «увеличение индуктивного сопротивления».
Всё это работает достаточно эффективно за счёт того, что радиоволны по большей части имеют достаточно высокую частоту, поэтому даже при отсутствии сердечника в катушке создаваемое ей поле является достаточным для торможения прохождения импульса.
То есть, «не все поля одинаково полезны» — какие-то попросту мешают проходить току!
И теперь «самая мякотка»: вот этот принцип торможения прохождения тока с помощью электромагнитного поля (т. е. создание высокого индуктивного сопротивления) — в полный рост используется в магнитных усилителях: мощный ток относительно низкой промышленной частоты пытается пройти сквозь полезную нагрузку и катушки в первичной цепи (намотанные на магнитопроводах трансформаторов), где моментально тормозится возникающим полем, особо мощным из-за наличия сердечников в катушках (т. е. магнитопровода)!
То есть когда управляющие катушки вторичной обмотки отключены, ток в первичных обмотках течь почти не может*.
*Тут только надо иметь в виду, что это одна из проблем магнитных усилителей — некоторая утечка тока, несмотря на «отключённое» состояние, в среднем порядка 5 % (что довольно много).
То есть нельзя с помощью магнитного усилителя наглухо перекрыть ток, поступающий на нагрузку, даже в отключённом состоянии.
И тут сразу возникает логичная мысль: а можно ли как-то уменьшить это электромагнитное поле, которое мешает прохождению тока нагрузки и тормозит его?
Именно в этом и заключается вся суть управления: можно подмагнитить сердечник, подавая управляющий сигнал во вторичную обмотку, таким образом, чтобы он был намагничен и как бы «не мог» взаимодействовать с первичной обмоткой — что автоматически уменьшит индуктивное сопротивление этих обмоток, и ток сможет течь через них.
Причём, что интересно: мы же помним, что кривая Столетова (о которой шла речь в самом начале) — это именно кривая, а не прямая линия?
А это означает, что, подавая различный подмагничивающий ток во вторичную обмотку, мы можем плавно изменять силу тока, проходящего через первичную обмотку.
То есть мы видим, что это далеко не реле: мы можем как резко «включить/выключить», так и плавно «убавить/прибавить».
Однако, насколько удалось понять, такой плавный режим (как и у транзистора, кстати — частичное открытие) является одним из самых неэффективных. Дело в том, что в этом случае сопротивление остаётся довольно большим, и существенная часть мощности рассеивается как на «бесполезное» намагничивание и перемагничивание сердечника, так и просто на нагрев (вплоть до 50%). Тем не менее такая возможность существует — и, по некоторым данным, она могла использоваться для плавного включения и выключения, например, освещения в театрах.
Ну и напоследок — ниже будет довольно интересное видео, где, на мой взгляд, демонстрируется (и довольно элегантно) принцип магнитного усилителя, только лишённый всей управляющей «мишуры». Здесь управление насыщением магнитопровода осуществляется всего лишь поднесением неодимового магнита: чем ближе его подносим, тем ярче горит лампочка нагрузки. Просто и наглядно!
P.S. На 4:56 видно, что спираль лампочки светится даже при закрытом усилителе — то есть, утечка на нагрузку идёт всё-таки довольно большая:
На данный момент магнитные усилители практически полностью были вытеснены полупроводниковыми устройствами, однако всё равно остаются весьма узкие ниши, где им сложно найти альтернативу — например, в условиях ионизирующего излучения, где полупроводники деградируют, а магнитные усилители практически нечувствительны к нему.
Ещё одним направлением их применения является работа в условиях высоких температур, там, где электроника может отказывать, так как работоспособность магнитных усилителей, по сути, ограничена только точкой Кюри, которая у ряда сплавов может быть весьма высокой.
Ну и нельзя не повторить ещё раз, что у них нет механически движущихся элементов, что само собой подразумевает достаточно высокую надёжность, так как механический износ отсутствует.
© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»
Автор: DAN_SEA
