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Spannungszeitflächengesteuerter magnetischer Verstärker
Die nachstehend beschriebene Erfindung bezieht sich auf einen spannungszeitflächengesteuerten ma- netischen Verstärker, d. h. auf einen Verstärker, dessen Magnetisierungszustand während der arbeitsstromfreien Halbperiode durch eine Gegenspannung an der Arbeitswicklung oder einer zusätzlichen Steuerwicklung verändert wird.
Derartige magnetische Verstärker, die auch als flussgesteuerte magnetische Verstärker, Rücklauf-Verstärker, Ramey-Verstärker bezeichnet werden, zeichnen sich durch hohe Verstellgeschwindigkeit aus.
Zur Steuerung dieser Verstärker ist es bekannt, veränderliche Gleichspannungen, einstellbare Widerstände, Röhren bzw. Transistoren in den Rückstellkreis zu schalten. Die Rückmagnetisierung kann dabei entweder über eine getrennte Steuerwicklung oder über die Arbeitswicklung selbst erfolgen. Eine besonders beliebte Ausführungsart besteht darin, parallel zum Lastwiderstand und dem Laststromglelchrichter eine mit einem weiteren Gleichrichter in Reihe geschalteteSteuerspannungsquelle zu legen. Bei diesenSteuerungsarten erfolgt durch den Spannungsabfall in der Gegenspannung (Steuerspannung) bzw. der Impedanz eine Minderung der rückstellenden Spannung, also der Spannungszeitfläche an den Drosseln, und damit eine Änderung der Ausgangsspannung des magnetischen Verstärkers.
Die Dimensionierung der Schaltelemente (Röhre, Transistor cd. dgl.) ist dabei abhängig von der im Steuerelement auftretenden Verlustleistung.
Die Erfindung zeigt nun einen Weg, um die mit einem gegebenen Schaltelement (z. B. Röhre oder
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malstrom) zu zulässiger Verlustleistung des Schaltelementes zu vergrössern. Dieses Verhältnis ist bei Transistoren grösser als 10. Bei einem spannungszeitflächengesteuerten magnetischen Verstärker wird dies erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die im Rückstellkreis des Magnetverstärkers liegende Arbeitswicklung über Schaltglieder Ausschnitte derjenigen Spannungshalbwelle der ihn speisenden Wechselspannung erhält, die im übrigen durch den in Serie zur Arbeitswicklung liegenden Gleichrichter gesperrt ist. An die Stelle von Gegenspannung bzw. Impedanz, tritt also ein Schaltelement, dessen Schliess- und Öffnungszeitpunkte bestimmen, wie gross die rückstellende Spannungszeitfläche ist. Die Dimensionierung des Schaltelementes (z. B.
Kontakt, Röhre oder Transistor) ist dabei nur abhängig von den Maximalwerten von Strom und Spannung im Rückstellkreis.
Die Fig. 1 und 2 zeigen das Prinzip der Erfindung.
1 bezeichnet eine Wechselspannungsquelle, 4 den Belastungswiderstand, 2 den Leistungsgleichrichter und 5 eine Sättigungsdrosselspule mit hoher Remanenz. Wenn der Schalter 6 immer offen ist, bleibt die Sättigungsdrosselspule immer gesättigt, und es fliesst der maximale Belastungsstrom, der sich aus Spannung, Widerstand und Restinduktivität in der Sättigung ergibt. Der Gleichrichter 2 verhindert eine Abmagnetisierung, und am Widerstand 4 liegt die ganze positive Halbwelle. In der negativen Halbwelle erfolgt eine Abmagnetisierung über den Gleichrichter 3 nur, wenn der Schalter 6 geschlossen wird. Dieser Vorgang wird Rückstellung genannt.
Fig. 2 zeigt den Verlauf der Spannung U und des Stromes J als Funktion der Zeit t. Am Widerstand 4 liege zunächst die gesamte positive Spannungshalbwelle, so dass ein Strom fliesst von tl bis t,. Darauf sperrt der Gleichrichter 2. Wenn der Schalter 6 nun von ts bis t4 geschlossen ist, fliesst über den Gleichrichter 3 Strom im umgekehrten Sinne durch die Sättigungsdrosselspule, und deren Magnetisierung wird um die schraffierte Spannungszeitfläche rückgestellt. Dies ergibt sich aus dem Verlauf der Auf- und Ab-
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t6inder negativen Halbwelle. so dass die Gleichspannung am Belastungswiderstand 4 von Null bis zum Maximum durch Veränderung der Schliessdauer des Schalters 6 stetig verstellt werden kann.
Wenn der Schalter 6 dauernd geschlossen ist, fliesst nur der kleine Leerlauf-Wechselstrom.
Entsprechende Schaltungen sind auch für höhere Pulszahl und mit getrennten Steuerwicklungen mög- lich.
Fig. 3 zeigt als einfaches Ausführungsbeispiel nach der Erfindung eine einphasige Einwegschaltung, bei der als Schaltglied im Rückstellkreis ein Transistor verwendet wird.
Die Einspeisung erfolgt über den Transformator 11. Den Lastkreis bilden Sättigungsdrosselspule 12,
Belastungswiderstand 13 und Leistungsgleichrichter 14. An Stelle der Hintereinanderschaltung von Schalter 6 und Ventil 3 in Fig. 1 tritt der Transistor 15 (Haupt-Transistor). Dieser wird gesteuert vom Transistor 16 (Vor-Transistor). Die Transistoren sind über den Spannungsteiler aus den Widerständen 17 und 18 so stark rückgekoppelt, dass sie zusammen Kippverhalten besitzen. Eine kleine Änderung der Spannung zwischendenPunkten 19 und 20 bewirkt ein plötzliches Öffnen oder Schliessen des Transistors 15 ohne Zwischenzustände.
Die Funktionsweise des Ausführungsbeispieles nach Fig. 3 ist im einzelnen folgende :
Zwischen den Punkten 19 und 21, d. h. am Widerstand 23, tritt die eine Halbwelle einer gleichgerichteten Wechselspannung auf. Diese Spannung ist mit der Steuergleichspannung zwischen den Punkten 20 und 22 gegensinnig in Reihe geschaltet. Sie wird, solange ihr Augenblickswert grösser als die Steuergleichspannung ist, einen Strom über den Kreis 21-22-20-18-17-14-19-26 treiben. Dadurch wird am Transistor 16 ein Emitterpotential geschaffen, das gegenüber der Basis negativ ist und damit den Transistor 16 stromundurchlässig hält.
Solange der Transistor 16 stromundurchlässig bleibt, liegt die Gleichspannung der Spannungsquelle 25 zwischen Emitter und Basis des Transistors 15 und hält diesen stromdurchlässig, so dass über die Drosselspule 12, in der arbeitsstromfreien Halbperiode ein rückmagnetisierender Strom fliessen kann. Ist dagegen der Augenblickswert der Spannung am Widerstand 23 kleiner als die Steuergleichspannung, sofliesst ein Strom im Kreis 22 - 21 - 23 - 16 - 18 - 20. Durch diesen vom Emitter zur Basis des Transistors 16 fliessenden Strom wird der Transistor 16 stromdurchlässig. Das hat zur Folge, dass die Spannung der Spannungsquelle 25 nicht mehr zwischen Emitter und Basis des Transistors 15 sondern am Widerstand 24 liegt.
Dadurch wird aber der Transistor 15 stromundurchlässig geschaltet, so dass in der arbeitsstromfreien Halbperiode ein abmagnetisierender Strom über die Drosselspule 12 nicht mehr zu fliessen vermag.
Fig. 4 zeigt, wie sich durch im Beispiel stufenweise vorgenommene Veränderung der Steuerspannung zwischen 20 und 22 die Schaltdauer einstellen lässt. Wie oben gezeigt, wird damit die Spannung am Wi- derstand 13 gesteuert. In Fig. 4a sind über der Zeit t als Abszisse die Zusatzspannung U, zwischen den Punkten 19 und. 21 und die stufenweise veränderte Steuerspannung U, zwischen den Punkten 20 und 22 aufgetragen. Fig. 4b zeigt die dadurch entstehende Schaltwirkung des Transistors. Verläuft die Kurve in Fig. 4b auf der Abszisse, so ist der Transistor 15 stromundurchlässig und damit der Riickstellkreis unterbrochen ; verläuft die Kurve oberhalb der Abszisse, so ist der Transistor als stromdurchlässig zu betrachten, und der Rückstellkreis kann einen Strom führen.
Bei mehrphasiger Schaltung muss die Pulszahl der welligen Zusatzspannung entsprechend höher sein. Man kommt jedoch mit nur einem Schaltglied aus.
An Stelle von Transistoren können, wie schon bemerkt, auch andere Schaltglieder verwendet werden. Besonders bei grossen Ausgangsleistungen ist es vorteilhaft, eine gittergesteuerte Gasentladungsröhre als Schaltglied zu verwenden, dessen Zündpunkt zwischen t und L veränderbar sein muss. In diesem Falle muss eine mehrphasige Schaltung aus zweiphasigen Einheiten zusammengesetzt werden, weil die gittergesteuerte Gasentladungsröhre bei positiver Anodenspannung nur gezündet, nicht aber gelöscht werden kann.
Zum Zwecke der Rückkopplung kann man die Grösse der welligen Zusatzspannung vom Leistungskreis des magnetischen Verstärkers beeinflussen lassen. Der magnetische Verstärker kann auch dadurch gesteuert werden, dass man, anstatt die SteuerspannungU, zu verändern, die Phasenlage der welligen Zusatzspannung verstellt.
Auf Grund der Erfindung erhält man einen hochverstärkenden schnellen Leistungsverstärker mit linearer Kennlinie, der sich gut in Regelkreisen verwenden lässt. Sein dynamischer Gütefaktor kommt dem eines gittergesteuerten Stromrichters im Gleichrichterbetrieb gleich.