Les amplificateurs magnétiques ne font pas partie des systèmes de transmission à distance. Ils sont partie intégrante - au même titre que les synchro - des servomécanismes, par exemple ils sont très nombreux dans le pilote automatique PB10 du Lockheed Constellation L.1049 puis PB20 des L.1649 et du Boeing 707 ; il m'a donc semblé nécessaire d'en donner des explications.
C'est un composant quasiment oublié aujourd'hui mais il y a quelques années on en trouvait tout de même dans quelques applications en télévision couleur. Il était notamment utilisé comme modulateur de correction de coussin Est-Ouest et régulateur de largeur du balayage ligne. Ils sont toujours utilisés en configuration push-pull, relais, gradateur de lumière pour « fondu enchaîné », régulateur dans les alimentations à découpage modernes, commande de vitesse par variation de l'excitation d'un moteur, ou encore en aéronautique du fait de leur très grande fiabilité.
4. Amplificateur Magnétique
Remettons-nous dans le contexte technologique des années 1950.
1. INTRODUCTION.
La nécessité de l'amplification des signaux électriques est trop évidente pour qu'il soit nécessaire de la justifier sur de nombreux exemples. Qu'il s'agisse d'une antenne de récepteur radio, d'une cellule photoélectrique, d'un synchro-transmetteur, d'un pont de Wheatstone détecteur de déséquilibre ou d'un lecteur de disques, dans tous les cas l'énergie recueillie est trop faible peur actionner l'organe récepteur : haut-paRLeur, appareil de mesure, indicateur, résistance de chauffage, graveur, moteur électrique, etc.
L'amplification est assurée au moyen de relais dont les plus utilisés sont :
- les tubes électroniques,
- les transistors,
- les amplificateurs magnétiques.
Bien que les domaines d'application de ces éléments se recouvrent quelque peu, leurs avantages et leurs inconvénients respectifs peuvent décider du choix d'un type d'amplificateur.
Les tubes à vide et les transistors ont le monopole des applications exigeant le respect de la forme des signaux : enregistrement sonore, communications, télévision, certaines mesures, etc., avec un avantage à l'actif des transistors en ce qui concerne la robustesse, la durée de vie et la facilité d'alimentation électrique. Les tubes électroniques reprennent l'avantage dans le domaine des fréquences très élevées et de plus, sont pratiquement insensibles aux variations de température ambiante auxquelles les transistors doivent une part de leurs limitations.
Les amplificateurs magnétiques ne peuvent prétendre jouer le moindre rôle dans les applications citées précédemment car, et nous le verrons dans la suite de cette étude, ils ne respectent pas la forme des signaux amplifiés. Mais dans tous les cas où le récepteur utilisé n'est pas affecté par la forme du signal reçu, les amplificateurs magnétiques se posent en concurrents très sérieux des tubes et transistors, pouvant même les supplanter par certaines de leurs qualités. La restriction précédente quant à la forme du signal laisse le champ libre à l'utilisation des amplificateurs magnétiques dans tous les cas où le récepteur est alimenté en courant continu et ils sont nombreux
- Moteurs électriques utilisés dans les servomécanismes,
- Résistances de chauffage.
- Relais.
- Électroaimants.
- Inducteurs de génératrices (régulation des dynamos et alternateurs).
Nous retrouverons certains de ces éléments en courant alternatif : les moteurs asynchrones particulièrement.
Étant donné l'importance grandissante des servomécanismes, on conçoit sans peine que l'utilisation des amplificateurs magnétiques ne cesse d'augmenter.
Les avantages essentiels pouvant faire pencher la balance en leur faveur lors du choix d'un type d'amplificateur sont
- Leur robustesse inégalable. Les amplificateurs magnétiques sont construits à la manière des transformateurs. Ce sont des organes statiques, ne présentant pratiquement pas d'usure et d'un entretien pratiquement nul.
- Rendement important.
- Consommation à vide est presque nulle
- Amplification en puissance très importante puisque quelques microwatts peuvent se transformer en kilowatts.
- l'amplification très faciles des courants continus.
Quant à leurs défauts, nous citerons :
- la déformation des signaux.
- le temps de réponse, beaucoup plus élevé que celui des tubes ou des transistors, et qui limite leur utilisation à la basse fréquence.
- le poids élevé lorsque la fréquence de l'alimentation est de 50 ou 60 Hz (Ne pose pas de problème avec le 400 Hz aéronautique).
2. PRINCIPE DE BASE ET CONSTITUTION.
Le principe de base de l'amplificateur magnétique réside dans le contrôle de l'intensité IL d'un courant qui traverse une résistance de charge RL en série avec une bobine Z enroulée sur un noyau magnétique.
Ce résultat est obtenu par modification de l'état magnétique du noyau — par suite de la variation de flux — grâce à un enroulement auxiliaire traversé par un courant de commande.
Ainsi, dans sa constitution élémentaire, un amplificateur magnétique comprendra
Un circuit magnétique en forme de tore supportant deux bobinages, dont l'un L en série avec la résistance de charge RL, est soumis à une tension alternative développée par la source (A) et présente ainsi au passage du courant une impédance Z.
L'autre enroulement auxiliaire, traversé par un courant continu, courant de commande, crée un champ magnétique superposé au champ d'origine alternative.
Il est bien évident que la superposition de ces champs provoque une modification de la perméabilité du circuit magnétique, et partant de la valeur de Z, ainsi que de celle du courant alternatif traversant la résistance de charge RL.
3. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT.
Comme le but à rechercher est de provoquer la saturation du noyau magnétique pour obtenir une variation de courant (fournissant le signal de sortie) circulant dans RL, il convient d'examiner ce qui se passe dans le circuit lorsque la valeur du signal d'entrée (courant de commande) varie :
a/ Absence du signal de commande.
Le noyau magnétique n'est pas saturé ; le bobinage Z présente donc un maximum d'impédance, tandis que le courant IL est minimum ; la tension U aux bornes de la charge RL est également minimum, ainsi que la puissance dissipée RLIL2.
b/ Application du signal de commande.
Dans ce cas, le courant de commande traversant l'enroulement auxiliaire, engendre un flux Q (qui est fonction de la valeur IC) et provoque, de ce fait, une saturation du noyau plus ou moins grande, d'où diminution de l'impédance Z.
Cette diminution s'explique par le fait qu'à la saturation, la perméabilité du noyau est voisine de celle de l'air.
Le courant IL augmente, la chute de tension croît ainsi que la puissance dissipée dans la résistance de charge RL.
Il y a alors amplification si les variations de puissance recueillies aux bornes de la résistance de charge sont plus grandes que l'énergie demandée au signal de commande pour faire varier Z.
4. MONTAGES PRATIQUES.
1°/ Cas d'une inductance saturable.
Dans ce montage de base, deux circuits magnétiques sont utilisés. Les enroulements continus Al-A2 sont en série ; les enroulements L1-L2 parcourus par le courant alternatif sont en parallèle.
Les flux alternatifs dans L1 et L2 induisent des tensions alternatives dans les enroulements continus Al-A2 ; mais ces tensions sont en opposition et s'annulent. En outre, à chaque alternance, l'une des deux inductances L1 ou L2 saturée par le courant de commande, est parcourue par un courant important.
2°/ Ampli magnétique à autosaturation.
À l'inverse de ce qui se passe dans les inductances saturables le courant fourni par la source d'alimentation alternative sera utilisé pour saturer lui-même le circuit magnétique, d'où son appellation d'amplificateur auto saturable.
Le courant de commande aura un sens tel qu'il s'opposera à la saturation.
1er Exemple : Amplificateur du type monophasé.
Dans ce montage, une diode interdit toute inversion de courant dans la résistance de charge.
Il n'y a pas de courant IL pendant les alternances négatives et le flux produit par IL est toujours de même sens.
Par construction, un faible courant IL suffira pour saturer le noyau.
Le flux produit par le courant de commande IC s'oppose à celui produit par IL, et tend donc, suivant sa valeur, à éviter ou à retarder la saturation.
Le courant IC a un sens constant et les deux flux sont toujours en opposition.
2è exemple : Amplificateur de type biphasé.
Dans ce montage, deux circuits magnétiques et quatre enroulements sont utilisés ; des diodes et les enroulements sont disposés de telle sorte que les courants IL et IC produisent des flux opposés.
Lorsque la borne A est positive, c'est le circuit (A) qui est saturé et qui débite.
Lorsque la borne B est positive, le circuit (B) se sature et débite à son tour. Dans ce circuit, RL est alimentée en courant alternatif.
L'augmentation de l'intensité du courant de commande entraîne la dénaturation du noyau magnétique et, en conséquence, une diminution du courant dans le circuit d'utilisation représenté par RL.
3°/ Montage à sortie continue.
Dans ce montage qui permet l'utilisation des deux alternances avec alimentation de la charge en courant continu, deux circuits magnétiques et quatre enroulements sont utilisés ; ceux-ci sont disposés de telle sorte que les courants IL et IC produisent toujours des flux opposés (indiqués par les flèches). Deux diodes sont utilisées, l'alimentation doit se faire par un transformateur à prise médiane.
4°/ Montage différentiel à sortie continue.
Ce montage est constitué par l'association de deux amplificateurs mono-alternance alimentée par un secondaire de transformateur à prise médiane.
Chacun d'eux débite sur une résistance R1 — R2 d'égale valeur. Les enroulements de commande développent des flux opposés sur les circuits 1 et 2.
- Absence de signal de commande.
Les résistances R1 — R2 sont parcourues par des courants dus à chaque amplificateur. Par symétrie, ces courants sont égaux. les tensions aux bornes de R1 et R2 sont identiques, les polarités sont celles de la figure ; il n'y a pas de DDP aux bornes de RL d'où courant nul dans la charge en l'absence du signal de commande.
- Application d'un signal de commande.
Si l'on applique aux enroulements de commande une DDP continue dont les polarités sont indiquées par les signes + et -, le sens des flux produits est représenté par les flèches.
On constate que le courant de commande retarde la saturation du circuit 1 et l'avance dans le circuit 2.
Le courant dans R1 diminue donc ainsi que la tension aux bornes ; le courant dans R2 augmente ainsi que la tension aux bornes. Les deux DDP ne s'annulent plus, il apparaît aux bornes de RL une DDP.
Si l'on inverse le sens de la tension appliquée aux enroulements de commande, le raisonnement inverse s'applique ; il en résulte une inversion de la DDP aux bornes de RL.
5°/ Enroulement de polarisation.
Cette figure montre un type d'amplificateur dans lequel un enroulement de polarisation a été ajouté ; il est parcouru par un courant I développant un flux correspondant à la moitié de ce qui est nécessaire pour obtenir le courant IL minimum.
En l'absence de courant de commande IC, le courant dans la charge RL se situe vers le milieu de la caractéristique, c'est le point de repos Po.
L'introduction du signal de commande a pour effet de déplacer le point de fonctionnement sur la caractéristique. Le sens du déplacement est fonction du sens du signal.
On obtient ainsi la caractéristique suivante :
