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Magnetverstärker, insbesondere Kleinstmagnetverstärker
Die Erfindung betrifft einen Magnetverstärker, insbesondere einen Kleinstmagnetverstärker, mit mindestens einer Arbeits- und einer Steuerwicklung, deren Achsen zueinander angenähert rechtwinklig verlaufen und deren Flüsse zumindest teilweise verkettet sind.
Magnetverstärkerwerden wegen ihrer Betriebssicherheit, Konstanz und Lebensdauer sowie wegen ihrer Unempfindlichkeit gegen äussere Einflüsse und ihrer Wartungsfreiheit gerne angewendet. Sie sind als Schal- ter für grosse und mittlere Leistungen üblich, wobei sie erhebliches Gewicht und grosse Bauformen aufwei- sen.
Wird ein Magnetverstärker mit Gleichstrom ausgesteuert, so muss seinem Schaltungsaufbau erhöhte Aufmerksamkeit zugewendet werden, da beim Gmndtyp desmagnetverstärkers derlastkreis im Steuerkreis Wechselspannungen induziert. Um durch diese Wechselspannungen erzeugte Wechselströme im Steuerkreis zu verhindern, kann in diesem eine entsprechend dimensionierte Drossel vorgesehen werden oder es kann derMagnetverstärker inBrückenschaltung aufgebaut werden, wodurch die induzierten Spannungen einander aufheben. Die erste Methode erfordert im Steuerkreis eine zusätzliche Drossel, die zweite erhöhten Schaltungsaufwand.
Beim Magnetverstärker nach der Erfindung werden die störenden Einflüsse des Lastkreises vermieden, ohne zusätzlichen Aufwand zu bedingen.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Kerne der Arbeits- und Steuerwicklungen zwi- schen zwei Polschuhen liegen und durch diese miteinander verbunden sind, wobei der Eisenweg des magnetischen Flusses der Steuerwicklungen, die als Solenoidspulen mit Eisenkern ausgebildet sind, über die Polschuhe und den Kern der Arbeitswicklung, hingegen der Eisenweg des Flusses der Arbeitswicklung über den eigenen, symmetrisch zur Spulenachse aufgebauten Kern, z. B. Mantelkern, geschlossen ist. Vorzugweise ist der Kern der Steuerwicklungen mit den Polschuhen lösbar verbunden und der Mantelkern zwi- 3chen diesen durch Reibungsschluss festgehalten.
Im Gegensatz zu Leistungsmagnetverstärkern mit mehreren Drosseln und Gleichrichtern ist hier im Lastkreis nur ein Element nach Art einer gleichstromvormagnetisierten Drossel notwendig, da Gleichrichter überhaupt nicht erforderlich werden. Die Entkopplung der Steuerseite von der wechselstromgespeisten Ausgangsseite wird dadurch erreicht, dass die Steuerwicklungen von keinen Feldlinien der Arbeitswicklung durchsetzt werden.
Der Gegenstand der Erfindung ist in den Zeichnungen an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Es zeigen : Fig. l einen erfindungsgemässen Magnetverstärker schematisch in axionometrischer Darstellung, Fig. 2 denselben in Vorderansicht und Fig. 3 in teilweise aufgebrochener Seitenansicht. In Fig. 4 sind die Verhältnisse bei Steuerstrom ist = 0 und in Fig. 5 die Verhältnisse bei Steuerstrom ist 0 darge- stellt. Fig. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung mit erfindungsgemässen Magnetverstärkern.
In den Fig. 1 - 3 ist mit 1 eine Spule bezeichnet, deren Kern 2 mit Weicheisenpolschuhen 3
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fest verbunden ist. Zwischen diesen Weicheisenpolschuhen ist weiters eine eisengeschlossene Drossel 4 angeordnet. Die Spule 1 erfüllt die Funktion der Steuerwicklung, die Drossel 4 die Funktion der Arbeitswicklung eines Magnetverstärkers. Wird nun über die Fahnen 7 die Drossel 4 an Wechselspannung gelegt, so wird, solange an die Spule 1 keine Spannung angelegt wird, die Drossel 4 dauernd ummagnetisiert, wodurch nur ein sehr kleiner Magnetisierungsstrom als Arbeitsstrom iA fliesst.
Diese Verhältnisse sind an Hand der Fig. 4 erläutert. Ist der Steuerstrom ist = 0, d. h. wird die Steuerwicklung nicht gleichstromdurchflossen, so wirkt die Arbeitsdrossel 4 als Wechselstromwiderstand, wo- durch der Strom iA in der Arbeitswicklung nahezu gänzlich unterbunden wird und somit an einen im Arbeitskreis liegenden Lastwiderstand keine Leistung abgegeben werden kann. Die Windungszahlen der einzelnen Wicklungen sind dabei mit w bezeichnet.
Wird hingegen die Steuerspule 1 über die Fahnen 6 mit Gleichstrom versorgt, so bildet sich über den Kern 2, die Polschuhe 3 und den Kern der Drossel 4 ein magnetischer Kreis aus, der den
Kern der Drossel 4 vormagnetisiert. Wird diese Magnetisierung entsprechend hoch getrieben, so bleibt trotz der an die Arbeitsspule angelegten Spannung der Kern immer im Sättigungsbereich, wodurch der Arbeitsstrom nahezu nur durch den Lastwiderstand begrenzt wird. Die Induktivität der Arbeitsspule muss dabei so dimensioniert werden, dass der induktive Widerstand ohne Vormagnetisierung des Eisens sehr viel grösser als der Lastwiderstand ist, damit derWechselspannungsabfall am Lastwiderstand, der z. B. ein Anzeigeelement sein kann, im unbetätigten Zustand unter einem Ansprechwert liegt.
Die bei Aussteuerung auftretenden Verhältnisse sind an Hand der Fig. 5 dargestellt. Infolge der Amperewindungen ist. w der Steuerspule wird die Arbeitsdrossel soweit vormagnetisiert, dass sie trotz Amperewindungen i A. w Ader Lastseite immer im Bereich der Sättigung bleibt.
Selbstverständlich kann der dargestellte Magnetverstärker auch in zwischen diesen beiden Zuständen liegende Bereiche gesteuert werden.
Wie aus der Fig. 1 zu sehen ist, ist beim Gegenstand der Erfindung eine Entkopplung der beiden magnetischen Kreise insoferne erzielt, als der Kern der Steuerspule von den Flusslinien der Arbeitsdrossel überhaupt nicht durchsetzt ist. Somit wird durch die Arbeitswicklung keine Spannung in die Sreuerwick- lung induziert.
Besondere Vorteile weist der Gegenstand der Erfindung in Ausbildung als Kleinstmagnetverstärker auf.
In der Steuerungstechnik entsteht im Rahmen der Technik der kontaktlosen Schaltungen bei gleichzeitiger Kleinbauweise, die z. B. durch gedruckte Verdrahtung ermöglicht wird, Bedarf an einem kleinen Schaltglied. Zum Beispiel ist die Technik der transistorisierten Kippschaltungen noch so wenig fortgeschritten, dass der Anzeige des Schaltzustandes bisher wenig Aufmerksamkeit entgegengebracht wurde.
Man könnte nach bekannten Methoden eine Anzeigelampe direkt in den Kollektorkreis schalten oder mit dem Kollektor-Potential eine Miniatur-Relaisröhre steuern. Der Nachteil der Anzeigelampe liegt darin, dass diese infolge ihrer beschränkten Lebensdauer ausgewechselt werden muss, was eine Unterbrechung der Funktion der Kippschaltung bedingt. Die Relaisröhre hat den Nachteil, dass sie eine Anodenspannung von über 70 V benötigt.
Weiters eignen sich zur Anzeige auch mit einem Drehmagnetsystem ausgerüstete Schauzeichen, deren Nachteile jedoch in ihrer Trägheit und Betriebsunsicherheit sowie in ihren Bauformen und ihrer schlechten Ablesbarkeit liegen.
Ein Kleinstmagnetverstärker nach der Erfindung vermeidet die oben angeführten Nachteile. Dieser kann z. B. bei Betätigung mit einem kleinen Gleichstrom ein Anzeigeelement, z. B. eine Klein-Glühlampe, ein Relais od. dgl. schalten. Er kann dabei von einem Transistor ausgesteuert werden, wie er z. B. in Kipp- und Triggerschaltungen verwendet wird, wodurch also nur Betriebsspannungen in der Grössenordnung von 12 V benötigt werden. Zur Steuerung wird dabei mehr die Verlustleistung des Kollektorwiderstandes herangezogen.
Der Vorteil dabei ist, dass der Transistor mit einem wesentlich geringeren Strom betrieben werden kann als zur Betätigung des Anzeigeelementes oder Relais erforderlich ist. Zugleich entsteht gegenüber einem transistorisierten Anzeigeverstärker, der an einen Ausgang der Kippschaltung angekoppelt werden müsste, der Vorteil, dass keine andere Leistung zur Aussteuerung des Anzeigeelementes oder Relais erforderlich ist als die, die im Kollektorwiderstand, der hier durch die Steuerwicklung des Magnetverstärkers gebildet ist, aufgebracht werden muss. Diese muss aufgebracht werden, um den Kollektorpotential-NutzSchaltsprung zu erzeugen.
Weiters werden die Einschaltstromspitzen von Metallfadenlampen sowohl vom Transistor und von der Gleichspannungsversorgung wie auch von angeschlossenen ändern Kippschaltungen ferngehalten. Auch wird das Anzeigeelement, welches im allgemeinen eine begrenzte Lebensdauer hat, durch einen Ausfall und
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durch Auswechseln der Funktion der Transistorschaltung nicht unterbrochen oder gestört. Ferner kann auch das Anzeigeelement ohne Unterbrechung des Betriebes geprüft werden.
Ein Kleinstmagnetverstärker, der diese Funktionen erfüllt, kann z. B. in den Ausmassen von 15 x 18x 12 mm hergestellt werden. Es ist zu erwarten, dass dieser Verstärker im wesentlichen aus Fertigbauteilen beste- hender Normteile aufgebaut wird.
Wie jedes analog arbeitende Verstärkerelement kann er auf Grund der Form der Steuersignale oder der Schaltungsart zu einer digitalen Arbeitsweise veranlasst werden, worunter im allgemeinen die beiden unstetigen Werte "0" (aus) und "L" (ein) zu verstehen sind. Der Magnetverstärker ist ein analoges Ele- ment, welches, bei der Schaltung der Glühlampe binär digital betrieben wird.
In Fig. 6 ist eine Schaltungsanordnung zur Prüfung von Anzeigeelementen unter Verwendung eines er- findungsgemässen Kleinstmagnetverstärkers dargelegt.
Die Prüfung von Anzeigeelementen L in der Art, dass durch Betätigen einer Taste t alle An- zeigeelemente L gleichzeitig zum Ansprechen gebracht werden, erfolgt dabei anders als bei den üb- lichen galvanisch durch Kontakte trennenden oder gleichspannungsbetriebenen, mittels Dioden entkop- pelnden Relaisschaltungen. Es wird dabei mit Hilfe der Taste t unter Umgehung von Ruhekontakten ein Arbeitskontakt geschlossen, der ausserhalb des Signalstrom-Versorgungskreises eines Frequenzgenera- tors G liegt.
Die Ventile V dienen in bekannter Weise zur wechselspannungsmässigen Entkopplung de ; Anzei- geelemente im Betriebsfall. Weiters dienen sie in Verbindung mit dem Arbeitskontakt dazu, in den Magnetverstärkerdrosseln D, die durch die Arbeitsspulen A gegeben sind, einen Gleichstrom zu erzeugen, der je nach Amplitude und Polarität der Wechselspannung zwischen dem zugehörigen Ventil V und dem Anzeigeelement L verteilt wird, wodurch die Drossel D keinen wesentlichen induzierten Spannungsabfall mehr hervorruft und jedes Anzeigeelement voll betätigt wird. Während der Sperrphase der Ventile V erfolgt eine Speicherung des Stromes durch die Magnetverstärkerdrosseln D. Die Ventile V weisen einen so niederohmigen Durchlasswiderstand RV auf, dass zusammen mit den Induktivitäten LD. der jeweiligen Magnetverstärkerdros.
Qeln D eine relativ zur Periodendauer T des Frequenzgenerators G grosse Zeitkonstante r= LD/RV > > T entsteht und dadurch eine Glättung und damit volle Leistungsausnutzung erzielt wird.
Wegen der allgemeinen Forderung w LO RL an eine Magnetverstärkerdrossel, wobei RL der Lastwiderstand des Anzeigeelementes L ist, ergibt sich schon T/2. 7T =l/M LD/RL oder r/T > (l/2tr) Rr/R. ; die Forderung r/T l wird umso besser erfüllt, je kleiner Ry ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Magnetverstärker, insbesondere Kleinstmagnetverstärker, mit mindestens einer Arbeits- und einer Steuerwicklung, deren Achsen zueinander angenähert rechtwinklig verlaufen und deren Flüsse zumindest teilweise verkettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne der Arbeits- und Steuerwicklungen (1, 4) zwischen zwei Polschuhen (3) liegen und durch diese miteinander verbunden sind, wobei der Eisenweg des magnetischen Flusses der Steuerwicklungen (1), die als Solenoidspulen mit Eisenkern (2) ausgebildet sind, über die Polschuhe (3) und den Kern der Arbeitswicklung (4), hingegen der Eisenweg des Flusses der Arbeitswicklung (4) über den eigenen, symmetrisch zur Spulenachse aufgebauten Kern, z. B.
Mantelkern, geschlossen ist.