Kyllästyvä kuristin

Kyllästyvä kuristin^[4], siirtokuristin^[5] tai viertokuristin^[6] on välttämätön komponentti kaikissa magneettivahvistimissa.^[7][8][9] Kyllästyvä kuristin voi myös yksinään olla magneettivahvistin, jos siinä on kahden työkäämin tasapainotettu rakenne. Pelkkä yksinkertainen yhden työkäämin kyllästyvä kuristin ei ole magneettivahvistin ellei siihen lisätä muita virtapiirielementtejä.^[10] Kyllästyvää kuristinta voidaan pitää virtapiirin elementtinä, jonka impedanssi on hyvin suuri käyttöjännitteen puolijakson yhden osan aikana ja hyvin matala puolijakson jälkimmäisen osan aikana.^[11] Siirtymä näiden tilojen välillä on äkillinen. Vaihekulmaa, jonka kohdalla impedanssi muuttuu korkeasta matalaan, säädellään tavallisesti tasavirralla.^[12]

Kyllästyvä kuristin valonsäätimenä. Ylimpänä on kuormavirtapiiri, alimpana ohjausvirtapiiri. Rakenne vastaa keksijöiden Burgess & Frankenfield patentoimaa säädintä^[1].

Säätimen komponentit

G	Vaihtojännitelähde, esimerkiksi generaattori tai sähkönsiirtoverkko
L	Hehkulamppu tai muu vastaava kuorma
T	Muuntajaa muistuttava käämitty kyllästyvä kuristin
R	Säätövastus tai muu tasavirtaa rajoittava säätölaite
B	Paristo tai muu tasajännitelähde

Säätimen toiminta perustuu muuntajaan, joka on laitteen lepotilassa kuormittamaton. Työkäämissä kulkeva magnetointivirta on niin pieni, että se ei riitä hehkuttamaan hehkulamppua. Kun ohjauskäämiin kytketään tasajännitelähteen ja säätövastuksen avulla sähkövirta, kyllästyvän kuristimen ferromagneettinen magneettipiiri saadaan osittain tai kokonaan kyllästettyä. Kun kyllästyvän kuristimen sydän kyllästyy, magnetointivastus työkäämissä romahtaa, ja jäljelle jää ainoastaan käytännössä mitätön työkäämin langan resistanssi ja induktanssi. Kuormavirran kulkua rajoittaa hehkulampun resistanssi. Kyllästymistä ja valon kirkkautta voidaan säätää portaattomasti muuttamalla ohjausvirran suuruutta.

Säätimenä käytetyn kyllästyvän kuristimen magnetointikäyrä. Kun ohjauskäämissä ei kulje virtaa, magnetointisilmukka (punainen) on jyrkkä ja työkäämin läpi kulkee vain pieni magnetointivirta dI₁. Kun ohjauskäämin virtaa kasvatetaan, toimintapiste siirtyy (piirroksessa oikealle ja ylös), jolloin magnetointisilmukka kääntyy (sininen). Suurempi virta kulkee työkäämin läpi ja kuormavirtapiirissä kyllästyvä kuristin näkyy entistä pienempänä vastajännitteenä. Ohjauskäämin virtaa kasvatettaessa magnetointsilmukka (keltainen) kääntyy vielä enemmän ja virta edelleen kasvaa. Näin voidaan kuormavirtaa kasvattaa yhä enemmän, kunnes kyllästyvän kuristimen ferromagneettinen sydän on magneettisesti täysin kyllästynyt.

Sarjaan kytketyt kyllästyvät kuristimet, jotka ovat E. F. W. Alexandersonin patentoiman keksinnön ydin.^[2] Kuormapiirin vaihtosähkö pyrkii indusoimaan ohjauskäämeihin ja sitä kautta ohjausvirtapiiriin häiritsevän suuren vaihtojännitteen. Käyttämällä kahta sarjaan kytkettyä kyllästyvää kuristinta haitallinen muuntajavaikutus kumoutuu.

Rinnan kytketyt kyllästyvät kuristimet. Käyttämällä kahta rinnan kytkettyä ohjauskäämien osalta vastakkaisvaiheista kuristinta haitallinen muuntajavaikutus kumoutuu.

Yhteen ferromagneettiseen sydämeen rakennettu sarjaan kytketty kyllästyvä kuristin. Ohjauskäämi on keskellä. Työkäämit ovat sen vasemmalla ja oikealla puolella. Tämän rakenteen esitteli Francis B. Crocker vuonna 1904.^[3]

Muuntajasydämen piiseosteisen magneettiteräksen magnetointikäyrä (1) ja magneettivahvistimen kyllästyvään kuristimeen soveltuvan sydänmateriaalin magnetointikäyrä (2).

Yksinkertainen kyllästyvän kuristimen magnetointivirran ja kyllästymisen mittausjärjestely.

Oskilloskoopin avulla hankittu kuva kyllästyvän kuristimen mittauksesta. Käyrien numerot viittaavat aiemman piirroksen oskilloskoopin kanaviin. Alemmasta käyrästä ilmenee, kuinka virta pysyy magnetoitumisen ajan lähes tasaisena, kunnes se magneettisydämen kyllästyessä nopeasti nousee, ja mittauksessa käytetty sarjavastus rajoittaa virran huippuarvon.

Toimintaperiaate

Kyllästyvän kuristimen toiminta perustuu ferromagneettisen sydämen magneettiseen kyllästymiseen tai permeabiliteetin muutoksiin. Näissä käytetään erityyppisiä magneettisydämen materiaaleja toimintaperiaatteen mukaan.^[13] Permeabiliteetin vähittäisiin muutoksiin perustuvassa kyllästyvässä kuristimessa ei tavoitella magneettisydämen äkillistä kyllästymistä, vaan hyödynnetään toimintapistettä, jonka ympäristössä permeabiliteetti muuttuu jatkuvasti.^{[14][1][15][16]} Magneettivahvistimien kyllästyvissä kuristimissa on ohjauskäämit, joiden avulla magneettisydämen magnetointia säädetään ja työkäämit, joiden läpi kuormavirta kulkee.^[17] Kyllästyvän kuristimen sydämelle on tyypillistä suuri magnetointivastus, pieni magnetointivirta vuon kyllästymisrajojen sisäpuolella ja äkillinen magneettinen kyllästyminen rajan ylittyessä.^[11][18] Kyllästyneen kuristimen magnetointivastus häviää ja ainoastaan työkäämin resistanssi pysyy, kunnes käyttöjännitteen ja sen myötä työkäämin virran napaisuuden kääntyminen palauttavat kyllästyvän kuristimen sydämen magneettivuon alempaan arvoon.^[19]

Historia

Mekaanisesti säädettäviä kuristimia käytettiin valaistuksen säätöön jo 1800-luvun lopulla. Kuristimen magneettipiiriä avaamalla saatiin vähennettyä induktanssia, jolloin vaihtovirta kuristimen läpi kasvoi.^[20] Charles F. Burgess ja Budd Frankenfield keksivät, että ferromagneettisen muuntajasydämen magneettista kyllästymistä voisi käyttää sähkövirran säätämiseen esimerkiksi hehkulamppuvalaistuksessa.^[1][21] Francis Crocker keksi miten kahden työkäämin rakenteella voitiin kumota muuntajavaikutus.^[3] Amerikanruotsalainen Ernst Alexanderson oivalsi kyllästyvän kuristimen mahdollisuudet ja ryhtyi käyttämään keksimäänsä magneettivahvistinta tehokkaissa radiolähettimissä.^{[22][23][24][25]}

Mekaaniset rakenneratkaisut

Tasavirtaohjattu kyllästyvä kuristin koostuu tavallisesti magneettiteräksestä laminoidusta kolmihaaraisesta magneettisydämestä, jonka keskimmäisen haaran ympärille on käämitty ohjauskäämi ja kahteen ulommaiseen haaraan työkäämit.^[26]

Merkittävin luokittelu aiheutuu työkäämien lukumäärästä:

1. Yhden työkäämin kyllästyvät kuristimet, jotka eivät rakenteeltaan eroa yksivaiheisista muuntajista. Yleensä tämäntyypinen ratkaisu tarvitsee seurakseen vähintään diodin^[27] tai lineaarisen kuristimen^[1], jotta kuormavirtapiirin jännitteen siirtyminen työkäämin ja ohjauskäämin kautta ohjausjännitteeseen voidaan estää tai edes vaimentaa.
2. Kahden työkäämin kyllästyvät kuristimet, jotka mahdollistavat muuntajavaikutuksen kumoamisen. Työkäämit voidaan kytkeä sarjaan tai rinnakkain.^{[28][29][30][31]} Tällöin voidaan myös käyttää nimitystä transduktori.

William Geyger esitteli kuusi yleistä rakenneratkaisua jälkimmäisen luokan toteuttamiseksi^[32]:

1. Kaksi erillistä rengassydämistä kyllästyvää kuristinelementtiä.
2. Kaksi erillistä laminoiduista magneettisydämistä muodostettua kyllästyvää kuristinelementtiä. Tämä on toimintaperiaatteeltaan täysin edellistä vastaava.
3. Yksi kolmihaarainen magneettisydän, joka muodostaa kaksi magneettipiirin silmukkaa ja jonka keskimmäiseen haaraan on käämitty ohjauskäämi ja ulommaisiin haaroihin työkäämit.
4. Yksi kolmihaarainen magneettisydän, jossa on häiritsevien hystereesi-ilmiöiden eliminoimiseksi halkaistu keskihaara, johon on käämitty ohjauskäämi ja ulommaisiin haaroihin työkäämit. Käämien rakenteen suhteen tämä on täysin vastaava kuin edellisessä kohdassa.
5. Kaksi kolmihaaraista magneettisydäntä, joiden keskihaaroihin on käämitty erilliset työkäämit ja edellisten päälle yhteinen työkäämejä peittävä ohjauskäämi. Nämä käämit voidaan valmistaa sisäkkäisiin kelarunkoihin ennen kokoonpanoa.
6. Kaksi rengassydäntä, joihin on ensin erikseen käämitty työkäämit, minkä jälkeen käämityt rengassydämet on yhdistetty ja edellisten käämien päälle on käämitty yhteinen työkäämejä peittävä ohjauskäämi.

Käämit

Lineaarisessa kuristimessa on tavallisesti yksi käämi ja muuntajassa ensiökäämi ja vähintään yksi toisiokäämi. Kyllästyvässä kuristimessa on erilaisia käämejä eri tehtävissä.^[17] Ne kuitenkin jakaantuvat kahteen pääluokkaan: ohjauskäämeihin ja pääkäämeihin.^[33]

1. Pääkäämit (engl. Main Windings)

1.1. Työkäämit^[34][35] (engl. Output Windings) Teho kuormaan kulkee työkäämien kautta. Tavallisesti magneettivahvistimissa ei ole muita pääkäämien luokkaan kuuluvia käämejä kuin työkäämit, mutta poikkeuksiakin on.

1.2. Tehokäämit (engl. Power Windings) Magneettivahvistimelle teho tulee käyttöjännitteestä tehokäämeille. Tavallisesti tehokäämit ovat myös työkäämejä, ja tällöin käytetään nimitystä työkäämi, mutta magneettivahvistimessa voi olla myös erilliset työkäämit ja tehokäämit.^[36]

2. Ohjauskäämit^[37][38] (engl. Control Windings)

2.1. Signaalikäämit (engl. Signal Windings) Vahvistettava signaali tuodaan signaalikäämille. Jos useita signaaleja täytyy summata magneettivahvistimessa, ne voidaan tuoda omille signaalikäämeilleen, ja tällaisissa tapauksissa signaalikäämejä voi olla useita.

2.2. Takaisinkytkentäkäämit (engl. Feedback Windings) Kuten vahvistimissa yleensä, erilaisia takaisinkytkentöjä voidaan tuoda eri paikoista. Magneettivahvistimissa takaisinkytkentään voidaan käyttää tarvittaessa useita käämejä.

2.3. Biasointikäämit (engl. Bias Windings) Vahvistimen toimintapisteen säätöön voidaan käyttää biasointikäämejä. Biasointikäämiin johdettu tasavirta siirtää toimintapistettä.

Vaikka edellä pääkäämit ja ohjauskäämit jaettiin erillisiin pääluokkiin, on olemassa myös magneettivahvistimen sovelluksia, joissa kyllästyvässä kuristimessa on vain yksi käämi. Hakkuriteholähteen apuregulaattorissa yksi käämi riittää. Tämän yhden käämin tehtävät työkääminä ja ohjauskääminä erotellaan diodeilla.^{[39][40][41][42][43]} Tästä poikkeuksellisesta mutta lukumääräisesti yleisestä sovelluksesta on olemassa myös poikkeuksen poikkeus, jossa hyödynnetään kahta käämiä.^[44]

Kyllästyvän kuristimen ja magneettivahvistimen ero

Sekaannuksen välttämiseksi kyllästyvä kuristin ja magneettivahvistin erotellaan toisistaan seuraavasti^[45]:

• Magneettivahvistin on virtapiirilaite, joka koostuu kyllästyvien kuristimien, tasasuuntaajien, vastusten ja tavanomaisten muuntajien yhdistelmästä, jota käytetään signaalin vahvistukseen.
• Kyllästyvä kuristin on ensisijainen ja yhteinen komponentti kaikissa magneettivahvistimissa.

Kyllästyvän kuristimen ja magneettivahvistimen eroa on verrattu elektroniputken ja putkivahvistimen eroon.^[46] Vastaava vertaus voidaan ulottaa myös transistoreihin ja transistorivahvistimiin.

Kyllästyvän kuristimen ja lineaarisen kuristimen ero

Näennäisestä rakenteen samankaltaisuudesta huolimatta kyllästyvä kuristin on hyvin erilainen kuin lineaarinen kuristin. Nimityksen samankaltaisuus saattaa aiheuttaa sekaannuksia. Ne eivät ole sama asia eivätkä keskenään vaihtokelpoisia.^[47] Ominaisuudet, jotka tekevät lineaarisesta kuristimesta ideaalisen, tekevät kyllästyvästä kuristimesta kelvottoman.^[48][49]

Kyllästyvän kuristimen ja lineaarisen kuristimen sähköisiä ominaisuuksia:

1. Magnetointivirta on samassa vaiheessa jännitteen kanssa. Lineaarisen kuristimen tapauksessa virta on 90° jäljessä.
2. Magnetointivirran kuvaajan aaltomuoto on suorakulmainen. Lineaarisen kuristimen magnetointivirta on siniaallon muotoinen, jos jännitekin on muodoltaan siniaalto.
3. Jännitteen ja virran suhde ei ole lineaarinen. Kyllästyvän kuristimen virtaa rajoittaa magneettisydämen koersiviteetti. Lineaarisen kuristimen virta on suorassa suhteessa jännitteeseen.
4. Jos kyllästyvän kuristimen kuormakäämin kanssa on sarjaan kytketty vastus, ja näiden yli kytketään askelmainen jännite, kyllästyvän kuristimen virta on aluksi tasainen magnetointivirta ja kyllästyvän kuristimen magneettisydämen kyllästyttyä virta nousee askelmaisesti siihen arvoon, johon kuormavastus virran rajoittaa. Lineaarisen kuristimen tapauksessa virta alkaa asymptoottisesti lähestyä lopullista kuormavirtaa noudattaen ajasta riippuvaa eksponenttifunktiota.

Kyllästyvän kuristimen ja lineaarisen kuristimen rakenteellisia ominaisuuksia:

1. Magneettipiirissä ei ole ilmaväliä missään, ei myöskään hajautettua ilmaväliä. Lineaarisessa kuristimessa on tavallisesti ilmaväli, joka voi olla myös hajautettu. Ilmasydämisessä lineaarisessa kuristimessa ei ole ferromagneettista sydäntä lainkaan.
2. Magneettipiiriin valitaan sydänmateriaali, jonka suhteellinen permeabiliteetti on korkea ja hystereesisilmukka suorakulmainen. Lineaarisen kuristimen magneettisydämessä suurin sallittu vuon tiheys on yleensä tärkeämpi kuin äärimmäisen suuri permeabiliteetti.
3. Magneettipiirin muodolla pyritään siihen, että koko magneettisydän kyllästyisi kauttaaltaan samanaikaisesti. Tästä syystä rengasmaisen sydämen sisä- ja ulkohalkaisijan suhteellinen ero on pieni. Lineaarisessa kuristimessa ferromagneettisen sydämen magneettista kyllästymistä pyritään välttämään ja sydänmateriaalin määrä on paljon tärkeämpi kuin ulkohalkaisijan ja sisähalkaisijan suhteellinen ero.

Kyllästyvän kuristimen yleisiä ominaisuuksia

• Kyllästyvän kuristimen magneettisydän ja käämilangat kestävät hyvin neutronisäteilyä.^[50]
• Kyllästyvä kuristin kestää korkeita lämpötiloja. Lämpötilan rajoitukset johtuvat tavallisesti käämien eristeistä.^[51][52] Magneettisydän ja käämilangan kupari kestävät korkeampia lämpötiloja tuhoutumatta.^[53]
• Kulumattomuus. Kyllästyvän kuristimen ominaisuudet eivät huonone käytössä.^[54][55][56]
• Vaihtojännitelähde on pakollinen.^[57][58]
• Kyllästyvän kuristimen ferromagneettisen sydänmateriaalin ominaisuudet rajoittavat taajuuskaistaa.^[59]

Transduktori

Transduktori (engl. transductor) on kyllästyvän kuristimen erikoistapaus. Joissain lähteissä transduktori on määritelty samoin kuin kyllästyvä kuristin.^[6][5][60] Toisissa lähteissä transduktori tarkoittaa nimenomaan sellaista kyllästyvää kuristinta, jossa on kaksi työkäämiä muuntajavaikutuksen kumoamista varten.^[61][4] Joissain lähteissä on lisäksi tarkennettu, että transduktorissa on kaksi magneettisydäntä.^[62] Riippuen transduktorin mekaanisesta kokoonpanosta, siinä voi olla kaksi ohjauskäämiä tai yksi ohjauskäämi.^[63][64] Transduktorin nimityksen käytölle on ollut kannattajia lähinnä Britanniassa ja Skandinaviassa.^[65] Jonkin verran vastustusta sen käytölle ilmeni, koska englannin kielen sanat transductor ja transducer muistuttavat toisiaan, vaikka niillä on aivan eri merkitykset.^[66]