磁気増幅器

磁気増幅器の概要

磁気増幅器（じきぞうふくき、英: magnetic amplifier）は、電磁気の原理を利用して電気信号を増幅する装置です。略称として「マグ・アンプ（英: mag amp）」とも呼ばれ、20世紀初めにその技術が確立されました。堅牢性や大電流の供給が求められる用途で、真空管増幅器の代替として用いられることが多かったのです。

特に第二次世界大戦時には、ドイツがこの増幅器の完成度を高め、V2ロケットなどの重要な技術に役立てました。磁気増幅器の大きな利点は、半導体と異なり、放射線の影響を受けにくい点です。そのため、安全性や高い信頼性が重要視される分野でごく限られた用途で今なお使用されていますが、多くはトランジスタを用いた増幅器に取って代わられています。

動作原理

磁気増幅器は磁界を利用して信号を増幅します。その外観は変圧器と似ていますが、動作原理が異なります。特に、磁気増幅器は可飽和リアクトルで構成され、鉄芯の磁気飽和と特定の材料の非線形特性を利用しています。磁気増幅器のコア材は、B-Hカーブが長方形に近くなるよう設計されています。そのため、通常の変圧器に比べて異なる飽和特性を持つのです。

典型的な磁気増幅器は、二つの物理的に独立した変圧器コアで構成され、それぞれのコアには「制御巻線」と「交流巻線」が巻かれています。低出力インピーダンスからの小さな電流が制御巻線に供給され、交流電圧が片方の交流巻線に印加され、そのもう一方は負荷に接続されます。制御巻線に供給される制御電流によって、交流巻線の波形制御が行われ、鉄芯が飽和するポイントがコントロールされます。この飽和状態では、高インピーダンスから低インピーダンスに相転移することで、大きな交流電流のスイッチングが可能になります。結果的に、少量の直流電流で大電流を制御可能となり、電流増幅が実現されます。

応用

磁気増幅器は、照明コントロールや初期のスイッチモード電源（SMPS）において主要なスイッチング素子として利用されてきました。これに関しては、半導体技術の進展に伴い、多くは置き換えられてきましたが、近年において小型で信頼性の高いスイッチング電源として再評価されています。PCやサーバーのATX電源などでは、二次側の電圧制御のために使われることが多いです。

また、アーク溶接機においても磁気増幅器は重要な役割を果たしています。近年、磁気増幅器用に設計されたトランスコアは、MetglasやMag-Inc.などのメーカーによって製造されています。加えて、高電圧の直流電圧を回路に接続せずに測定するための装置として使用されることもあります。

さらに、鉄道の電気車両では、抵抗制御主流の時代において、界磁制御のために使用された例もあります。具体的には、遠隔スイッチとして界磁接触器が磁気増幅器に置き換えられ、無接点での調整が実現しました。この技術はその後半導体技術に置き換わるものの、いくつかの場面で依然として活用されています。

誤った名称の問題

20世紀末に、Robert Carverによって設計された高品質なオーディオアンプが「magnetic amplifier」と名付けられましたが、これらは本質的には通常のオーディオアンプの設計であり、この記事で述べた磁気増幅器とは異なる意味を持っていることに留意が必要です。

まとめ

磁気増幅器はその特有の構造と動作原理により、様々な用途で重宝されてきました。特に安全性や信頼性を求める分野での利点を持ち、多くの技術革新の中でもユニークな存在感を示しています。今後のさらなる応用展望も期待される技術です。

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