글쓴이 : SOONDORI
JK LEE 님과의 대화에서 착안한 글. 자기 앰프를, B-H 곡선 반응을 응용하는 산업용 솔루션을 오디오 세상에 가져온 사례로 이해하고… 다음은 간결하게 핵심만 정리한 1995년 판 미국 해군 기술문서의 일부. (원본 문서 : Magnetic Amplifiers-another lost technology-by the US Navy-1951년)
미리 적어두는 감상평은, “우주에 맞닿는 아날로그는 참으로 오묘하다.”
* 관련 글 : 마그네틱 앰프, 밑바닥 증폭 솔루션
by the U.S. Navy (1951)
Magnetic Amplifiers, another lost technology
edited by George Trinkaus
해군 전자 엔지니어들은 전력 및 제어 분야에서 전자관의 경쟁자가 자신들의 영역에 침투했을 뿐만 아니라 앞으로도 계속 존재할 것이라는 사실을 받아들이기 시작했습니다. 이 장치를 처음 접했을 때, 그들은 단순히 사기꾼일 뿐이며 너무 느리고, 다루기 어렵고, 비효율적이어서 진지하게 받아들이지 않을 것이라고 생각했습니다. 심지어 이 장치가 자기포화라는 새로운 외투를 걸치고 자기 증폭기의 반열에 올랐을 때조차도, 미국 전자 엔지니어들은 여전히 이 장치를 무시했습니다. 이 장치는 결국 혐오감을 느껴 포기하고 독일로 가서 신체 개조와 사회 교육 대학원 과정을 수료했습니다.
전기 기계 업계는 회전 장비에 이 정적 제어가 거의 보편적으로 적용됨으로써 이 장치의 장점을 일찍부터 인지했습니다. 전자 엔지니어들은 이제 이전에는 전자관이 지배했던 여러 분야에서 의심할 여지 없이 그 가치를 입증해 온 자기 증폭기의 존재를 인정할 수밖에 없습니다.
해군 공학과 관련하여 이 개발의 중요성은 이 구성 요소가 전투함에서 회전하거나 움직이는 거의 모든 것에 적용 가능하다는 점을 깨닫게 되면 더욱 잘 이해됩니다. 주 엔진의 스로틀 제어 장치, 보조 장비의 속도, 주파수, 전압, 전류 및 온도 제어 장치, 함포의 사격 통제, 서보 메커니즘 및 안정 장치, 레이더 및 소나 장비, 레이더, 로런 및 트랜스폰더 장비의 펄스 형성 및 스윕 멀티바이브레이터 회로, 그리고 결과를 검증하는 컴퓨터 및 침로-속도 플로터 등이 여기에 포함됩니다.
이 장치는 주 전원의 극심한 전압 변동으로 인해 잠수함 및 항공기 장비에 이상적입니다. 수많은 국가가 이 장치의 발전에 기여했습니다.
역사
자기 증폭기는 새로운 것이 아닙니다. 포화 코어 제어 원리는 1888년 초 전기 기계에 사용되었지만, 그 원리가 명확하게 규명되지는 않았습니다. 포화 코어 소자는 1900년부터 미국에서 주로 중전기 기계에 사용되어 왔습니다.
미 해군은 지난 8년 동안 회전 장비의 정적 제어 계측기로 제한적으로 이 소자를 사용해 왔습니다. 미국에서 이 범위를 넘어 전자 분야로의 발전은 지연되었는데, 이는 주로 엔지니어들이 새로운 소자를 실험하는 것을 꺼렸기 때문이며, 특히 기존 전자관 장비의 뛰어난 성능을 고려했을 때 더욱 그렇습니다.
많은 엔지니어들은 독일인이 자기 증폭기를 발명했다고 생각합니다. 하지만 사실 그것은 미국의 발명품입니다. 독일인들은 우리의 비교적 조잡한 소자를 가져와 효율과 응답 시간을 개선하고, 무게와 부피를 줄이고, 응용 분야를 넓힌 후 우리에게 돌려주었습니다.
독일군이 자기 증폭기를 널리 사용하게 된 것은 주로 자성 재료 가공 기술의 발전과 셀레늄 정류기의 도입 덕분이었습니다.
독일 해군은 이 장치를 주포 안정기에 사용했습니다. 공군은 자동 조종 장치와 지상 접근 시스템에 사용했습니다. 또한 장거리 로켓의 서보 및 주파수 제어 시스템, 블라인드 착륙 보조 장치, 그리고 일부 유도 미사일의 대기압 및 램 압력에 따른 연료 흐름 조절에도 사용했습니다.
또한 컴퓨터 회로의 전자관을 대체하여 이 장치를 음극 추종기로도 사용했습니다. 독일군은 V-2 로켓 안정기와 조향 시스템에 이 장치를 적용하기 시작했습니다. 독일 민간 부문에서도 이 장치의 장점을 빠르게 인지했습니다. 그들은 컴퓨팅 기계, 트럭 및 기관차의 전기 브레이크, 최대 50,000KVA까지 제어하는 고전압 전력선, 교류 전차 제어 장치 및 기타 다양한 용도에 이 장치를 적용하기 시작했습니다.
* 관련 글 : 런던으로 날아간 V2 로켓과 독일의 원격 제어 기술
많은 사람들은 독일인들이 이전에 전자관이 지배하던 분야에 이 장치를 도입했다는 사실이 이 장치의 기술적 발전만큼이나 매우 중요하다고 생각합니다. 독일이 자기 증폭기의 부활에 기여한 것은 의심할 여지가 없지만, 다른 국가들(특히 미국)이 이 장치에 대한 특허를 훨씬 더 많이 보유하고 있었습니다. 스웨덴, 영국, 일본의 노력 또한 상당했습니다.
나치가 치열한 전쟁 중에 최고 과학자들을 투입하고 수백만 달러를 들여 이 장치 개발에 투자한 이유는 아직 명확하게 밝혀지지 않았습니다. 전자관이 부족했던 것은 아니었지만, 전자관 제어 장비의 성능은 교체로 인해 향상되지 않았습니다.
위의 내용을 고려할 때, 이러한 지출을 정당화한 동기는 현장 전자 기술 인력의 심각한 부족으로, 가능한 한 신뢰할 수 있고 유지보수가 필요 없는 장치가 필수적이기 때문인 것으로 보입니다. 자기 증폭기의 성능은 전자관 회로의 성능과 동등했을 것이 분명합니다. 이 장치들은 안정기, 서보, 최신 전투함의 사격 통제 장비와 같은 매우 중요한 용도에 사용되었기 때문입니다.
미 해군이 전력 조정기 이외의 용도로 이 장치를 활용하기 시작한 것은 지난 전쟁 중이었습니다. 개발 계약은 이제 라디오, 레이더, 소나 장비의 고속 디지털 컴퓨터와 펄스 형성, 메모리, 스캐닝 애플리케이션으로 확대되었습니다.
(중략)
4. 오디오
전자공학적 관점에서, 진공관 증폭기와 자기 증폭기를 유추해 볼 수 있을 것입니다. 진공관과 관련하여 자기 증폭기를 분석하려면 특정 가정이 필요합니다. 이 증폭기는 전자관 유형과 상당히 다르기 때문입니다.
그러나 입력 포화 제어 전압 대 부하 전류는 진공관의 제어 전압 대 부하 전류를 거의 정확하게 따를 수 있으므로, 곡선의 직선 부분에 대한 이론적 분석이 가능합니다.
그림 27과 28은 진공관과 자기 증폭기의 개략도입니다. 그림 29는 일반적인 자기 증폭기의 자기 포화 대 임피던스 곡선입니다. 이 곡선은 특정 유형의 진공관과 거의 유사하므로 두 증폭기의 작동 특성을 동일한 곡선에 나타낼 수 있습니다.
공정한 비교를 위해서는 두 증폭기의 “플레이트” 전원은 교류여야 합니다. 자기 증폭기는 직류를 제어하지 않기 때문입니다. 이 증폭기를 사용하여 가청 주파수를 증폭하려면 전원 주파수가 가청 주파수보다 높아야 합니다. 두 증폭기 모두 싱글엔드이므로 곡선 (c), 지점 (a)에 표시된 대로 기울기의 중간인 클래스 A에서 작동해야 합니다.
A급으로 동작하는 이러한 증폭기는 비효율적일 뿐만 아니라, 반송파와 음성 주파수를 분리하기 위한 조치가 필요합니다. 따라서 일반적으로 푸시풀, A/B급으로 동작합니다. 이 연결을 사용하면 그림 30과 같이 반송파를 (b) 지점으로 바이어스하여 출력할 수 있습니다. 푸시풀 연결을 사용하면 “플레이트” 공급 정류 펄스도 두 배로 증폭되고 평활화됩니다.
그림 31과 32는 보다 실용적인 푸시풀 증폭기의 기본 설계도를 보여줍니다. 그림 32는 최대 수천 개의 이득을 얻을 수 있는 단일 스테이지 증폭기입니다. 이 증폭기는 여러 단을 캐스케이드로 연결하여 최대 500W의 출력을 제공하고 최대 7000 사이클의 우수한 선형성을 제공합니다.
두 명의 영국 연구자(윌리엄스와 노블)에 따르면, 열 잡음으로 인해 기본 한계가 4 x 10^-20W인 특수 자기 증폭기에서 10cps의 대역폭에서 10^-18W의 제어 신호를 증폭할 수 있습니다. 이러한 자기 증폭기에서 바르크하우젠 효과는 1cps의 대역폭에서 10^-19W의 신호 입력과 동일합니다. 드리프트는 저출력 응용 분야에서 주요 제한 요소입니다.
하나 더? 원본 문서, 다음 장의 내용.
5. 고주파 및 라디오
자기 증폭기는 전자 엔지니어들에게는 비교적 새로운 개념입니다. 아마도 최근까지 이 소자의 응답 시간이 너무 길어서 많은 전자 응용 분야에서 고려 대상이 되지 못했기 때문일 것입니다. 최근 핵심 소재와 응용 기술의 발전으로 이 소자는 전자관과 비교해 경쟁력을 갖추게 되었습니다. 증폭기는 이제 메가사이클 범위의 주파수에 반응하도록 개발되었습니다.
파형 형성, 게이팅, 카운팅, 펄스 발생기 및 펄스 증폭기용 회로는 최대 초당 50만 번의 펄스를 처리하도록 설계되었습니다. 자기 플립플롭 조합은 주파수 판별기, 대역 통과 스위치, 샤프 컷오프 필터로도 사용되며, 최근에는 사인파 고주파 발진기용으로 개발되었습니다.
플립플롭 조합은 구형파, 원샷, 자유 구동 멀티바이브레이터로도 개발되고 있습니다. 기본 플립플롭 회로는 그림 35에 나와 있습니다.
그림 36의 오실로그래프 패턴은 이 장치가 지금까지 전자관이 지배했던 다양한 고주파 응용 분야에 사용될 수 있음을 보여줍니다.
한 상업 라디오 회사는 RF, IF, 오디오 시스템에 자기 증폭기를 사용하고 발진기에는 게르마늄 크리스털 트랜지스터를 사용하여 완전한 방송 수신기를 제작했습니다. 크리스털은 검출기에 사용되었습니다. 정자기 변환기는 주파수 체배기 전원 공급 장치로 사용되었습니다.
이 방송 수신기는 주로 전자관을 사용하지 않고도 비교적 복잡한 전자 장치를 만들 수 있음을 보여주기 위한 홍보 목적으로 제작된 것으로 알려져 있습니다.
