Os amplificadores magnéticos (ART4654)

Quando analisamos a história da eletrônica, normalmente colocamos na sequência básica de tecnologias o início com componentes passivos, depois as válvulas, os transistores e agora a era dos circuitos integrados com vista para a eletrônica quântica. Mas, não fata nada nessa sequência? É o que veremos neste artigo em que viajamos ao passado e vamos descobrir que no tempo das válvulas já havia uma tecnologia paralela, que ficou um pouco esquecida, a dos amplificadores magnéticos.

A ideia de se poder amplificar sinais elétricas não é nova. Na verdade, ela já existia muito antes das válvulas e mesmo de se ter início a era do rádio.

Segundo documentação antiga, a ideia de se ter um componente com o qual seria possível controlar grandes potências a partir de sinais de pequenas potências já era analisada em 1888, se bem que o nome amplificador ainda não era usado.

A ideia era usar núcleos saturáveis no controle de máquinas elétricas, principalmente de uso pesado, como ocorria com equipamentos usados em navios, feitos desde 1900.

Com a chegada das válvulas, as pesquisas no sentido de se utilizar núcleos magnéticos para o desenvolvimento de circuitos de controle foram reduzidas, pois as válvulas pareciam ter melhor desempenho nessa função.

As pesquisas feitas na época mostram que, segundo se indica, foram os alemães que inventaram os amplificadores magnéticos, mas hoje essa invenção é atribuída aos americanos. A descoberta dos retificadores de selênio parece ter contribuído para a ampliação do uso desses amplificadores.

O fato é que os alemães usaram na primeira metade do século passado amplificadores magnéticos em sistemas estabilizadores para canhões, pilotos automáticos, controle de servos, mísseis inclusive no controle de estabilizadoras na famosa bomba voadora V2. (Figura 1)

 

Figura 1 – A V2 usava estabilizadores controlados por amplificadores magnéticos – imagem da internet
Figura 1 – A V2 usava estabilizadores controlados por amplificadores magnéticos – imagem da internet | Clique na imagem para ampliar |

 

 

Segundo consta, as aplicações civis dos amplificadores magnéticos também se estenderam a computadores, caminhões, locomotivas e até no controle de linhas de transmissão envolvendo potências que chegavam a 50 000 kVA.

Consta também que na época que vai do início do século até 1950, muitos países fizeram esforços no sentido de desenvolver tecnologias com esse tipo de componente que não usava tubos de vácuo e bem materiais semicondutores.

Dizem que os esforços alemães na segunda guerra para desenvolver essa tecnologia estava na fragilidade da válvula e sua menor durabilidade quando comparada aos amplificadores magnéticos. Os próprios americanos, durante a segunda guerra retomaram as pesquisas com esta tecnologia, chegando a usá-los em radares, computadores e outros circuitos.

Mas, o que é afinal um amplificador magnético? Um componente de uma tecnologia disruptiva que ainda pode ser usado em nossos dias?

 

O amplificador magnético

Para entender como funciona este tipo de componente, podemos partir de uma analogia hidráulica.

Podemos controlar um fluxo de agua que seja capaz de exercer uma grande pressão através de uma válvula que possa ser ativada com uma pequena pressão, conforme mostra a figura 2.

 

 Figura 2 – Válvula de controle hidráulico
Figura 2 – Válvula de controle hidráulico

 

Com uma pequena pressão podemos então controlar um fluxo com uma pressão muito maior. É segundo esse princípio que funcionam os freios hidráulicos dos automóveis.

Mas, podemos transferir esse princípio aos circuitos eletrônicos, partindo de uma configuração simples de corrente alternada mostrada na figura 3.

 

Figura 3 – O circuito de corrente alternada
Figura 3 – O circuito de corrente alternada

 

 

Se tivermos uma bobina em série com uma carga, conforme mostra a figura, sabemos que a indutância dessa bobina representará uma oposição à passagem da corrente que chega até a carga.

Com maior indutância temos menos potência a carga e com menor indutância teremos maior potência.

Mas, o importante é que podemos controlar essa indutância com a movimentação de um núcleo no interior da bobina. Assim, com pequeno esforço, podemos controlar a potência aplicada a carga, o que representa um ganho de potência.

Neste caso, o que temos é o controle pela presença do núcleo, com sua movimentação, ou seja, controlamos corrente elétrica com força mecânica. No entanto, numa aplicação mais eficiente, o que podemos fazer é usar um núcleo fixo e controlar a permeabilidade do núcleo através de um campo criado por uma bobina de controle, conforme mostra a figura 4.

 

Figura 4 – A configuração em que controlamos corrente com corrente
Figura 4 – A configuração em que controlamos corrente com corrente

 

 

Assim, com uma corrente menor circulando num enrolamento de controle, se usarmos um núcleo saturável, podemos controlar uma corrente muito maior que seja aplicada a uma carga.

A relação amperes/espira do enrolamento de controle e amperes/espiras do enrolamento de carga dá o ganho deste circuito amplificador.

É claro que também podemos pensar na sua aplicação num circuito de corrente contínua para a carga, agregando um diodo retificador, conforme mostra a figura 5.

 

Figura 5 – Configuração com retificador
Figura 5 – Configuração com retificador

 

 

É claro que este é um circuito teórico simplificado. Na prática, alguns problemas que podem ocorrer neste circuito podem ser eliminados.

Um dos problemas é que, se observarmos o circuito, vemos que se trata de um transformador e que a corrente que circula no enrolamento da carga pode induzir uma alta tensão no enrolamento de controle, capaz de afetar o circuito de entrada.

Assim, podemos partir do circuito básico e fazer algumas melhorias como, por exemplo, agregar realimentação (feedback), conforme mostra a figura 6.

 

Figura 6 – Agregando realimentação
Figura 6 – Agregando realimentação

 

 

Ganhos de potência muito altos podem ser obtidos num circuito desse tipo. Eles podem passar de diversos milhões de vezes.

Na figura 7 temos um circuito que mostra como podemos usar um amplificador magnético para controlar a velocidade de um motor e também inverter seu sentido de rotação.

 

Figura 7 – Um circuito de controle de motor
Figura 7 – Um circuito de controle de motor

 

 

Um circuito simples que pode ser usado em aplicações didáticas é o de um Dimmer ou controle de potência para uma lâmpada incandescente.

 

Figura 8 – Um Dimmer com amplificador magnético
Figura 8 – Um Dimmer com amplificador magnético

 

 

Numa publicação de 1957 encontramos um amplificador magnético que usava um novo componente, um reator saturável que era usado numa simples fonte de alimentação para polarização, mostrada numa revista Radio News da época. O circuito é mostrado na figura 9.

 

Figura 9 – Amplificador magnético usando um ferristor
Figura 9 – Amplificador magnético usando um ferristor

 

 

E, coisas mais complexas podiam ser feitas como o multivibrador monoestável mostrado na figura 10.

 

Figura 10 – Um monoestável com amplificador magnético de 1957.
Figura 10 – Um monoestável com amplificador magnético de 1957.

 

 

E mais um circuito prático muito interessante encontrado em documentação atual. Trata-se de um circuito que usa um microfone de carvão para modular uma bobina de Tesla.

 

Figura 11 – Modulador para bobina de Tesla
Figura 11 – Modulador para bobina de Tesla

 

 

Na foto da figura 12 um antigo amplificador magnético de pequeno porte. Unidades gigantescas usadas em indústrias existiram nos anos anteriores a 1950.

 

 

Figura 12 – Um amplificador magnético
Figura 12 – Um amplificador magnético

 

 

Referências: U.S. Navy (1951) – High Voltage Press - 2000

 

 


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