DE1013008B - Stromrichtungsunabhaengiger Nullindikator fuer Bruecken- und Kompensationsschaltungen - Google Patents

Description

• Stromrichtungsunabhängiger Nullindikator für Brücken- und Komp ens ationss chaltungen Für die Messung elektrischer Ströme sind bereits zahlreiche Einrichtungen bekanntgeworden. Dabei wird im allgemeinen die Stromstärke unmittelbar zur Messung ausgenutzt. In manchen Fällen ist man auch zu einer mittelbaren Messung übergegangen, beispielsweise bei der Messung hoher Wechselströme mit Hilfe von Stromwandlern.
• Es ist bereits eine Meßeinrichtung für elektrische Ströme bekanntgeworden, bei der in einem dem Strom proportionalen Magnetfeld ein magnetfeldabhängiger Widerstand so angeordnet ist, daß dessen Änderung seiner elektrischen Eigenschaften zur Messung ausnutzbar ist. Es ist weiterhin bekannt, als magnetfeldabhängige Widerstände Halbleiterkörper zu verwenden.
• Magnetfeldabhängige Widerstände bestehen aus Materialien, die unter dem Einfluß eines Magnetfeldes entweder ihren elektrischen Leitwert oder die an ihnen abnehmbare Hallspannung verändern. Bringt man einen derartigen magnetfeldabhängigen Widerstand in ein dem zu messenden Strom proportionales Magnetfeld, so kann die Änderung der elektrischen Eigenschaften des magnetfeldabhängigen Widerstandes zur Messung ausgenutzt werden. Dabei kann das Magnetfeld sowohl das jeden stromführenden elektrischen Leiter umgebende Magnetfeld sein als auch ein in der Erregerwicklung eines Elektromagneten erzeugtes Feld.
• Die Erfindung bezieht sich auf einen stromrichtungsunabhängigen Nullindikator für Brücken- und Kompensationsschaltungen. Bei solchen Differenzstromkreisen führen irgendwelche Veränderungen eines Gliedes, z. B. eines Brückenzweiges einer Brückenschaltung, zum Fließen eines Differenzstromes in der Brückendiagonalen, der seinerseits zur Steuerung oder Regelung herangezogen wird. Die Richtung des Differenzstromes ist abhängig davon, wo in der Gesamtschaltung eine Änderung stattfindet. Häufig ist aber eine derartige Richtungsabhängigkeit unerwünscht. Man muß daher zu komplizierten Schaltungen greifen, die eine beträchtliche Erhöhung des Aufwandes zur Folge haben. Gelegentlich kann durch den Einsatz thermoelektrischer Schaltelemente eine Richtungsunabhängigkeit erreicht werden. Jedoch haben diese thermoelektrischen Schaltelemente den Nachteil, daß sie im allgemeinen, d. h. ohne beträchtliche Erhöhung des Aufwandes, keine nennenswerten Leistungen zu entnehmen gestatten. Hinzu kommt die große Trägheit derartiger thermoelektrischer Schaltelemente, die ihre Verwendung weiterhin einschränkt. Man hat daher bereits versucht, den Differenzstrom über eine Gleichrichteranlage zu führen.
• Dabei hat sich jedoch gezeigt, daß der besonders bei Trockengleichrichtern auftretende Schwellwert eine Messung kleiner Abweichungen vom Null- punkt außerordentlich erschwert bzw. sogar unmöglich macht.
• Diese Nachteile werden durch die Erfindung beseitigt, die eine Unabhängigkeit von der Stromrichtung gewährleistet. Die Erfindung besteht darin, daß in einem dem Differenzstrom proportionalen Magnetfeld in an sich bekannter Weise ein Halbleiterkörper angeordnet ist, dessen magnetfeldabhängige Änderung seiner elektrischen Eigenschaften zur Messung ausgenutzt ist.
• Die Änderung der elektrischen Eigenschaften ist bei den bekannten Stoffen unterschiedlich groß und meist verhältnismäßig gering. Um einen großen Aufwand an Verstärkungsmitteln zu vermeiden, ist es daher für die Zwecke der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft, magnetfeldabhängige Widerstände aus Halbleitern mit einer Trägerbeweglichkeit von mindestens etwa 6000 cm2/Vs zu verwenden. Zu diesen Halbleitern gehören vor allem Widerstandskörper aus halbleitenden Verbindungen, insbesondere von der Form AmBv, d. h. aus Verbindungen eines Elementes der III. Gruppe mit einem Element der V. Gruppe des Periodischen Systems. Unter den AIllBv-Verbindungen eignen sich für den vorliegenden Zweck insbesondere Verbindungen von einem der Elemente Bor,Aluminium, Gallium, Indium mit einem der Elemente Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon.
• Bei Indiumantiomonid beispielsweise werden Trägerbeweglichkeiten von 60000 cm2/Vs erreicht. Diese Stoffe haben infolge ihrer verhältnismäßig großen Trägerbeweglichkeit die Eigenschaft, ihren elektrischen Widerstand durch Anlegen- einer magnetischen Feldstärke innerhalb besonders weiter -Grenzen zu verändern. Weiterhin zeichnen sich derartige Halbleiter dadurch aus, daß die an ihnen abnehmbare Hallspannung einen verhältnismäßig großen Wert erreicht. Es ist daher ohne weiteres möglich, bereits das jeden stromführenden Leiter umgebende Magnetfeld als solches zur Beeinflussung des Halbleiters zu verwenden.
• Eine einfache Strommessung läßt sich infolgedessen dadurch erreichen, daß beispielsweise ein Hallgenerator in die Nähe einer stromführenden Leitung gebracht wird, so daß das den Leiter umgebende Magnetfeld ein Maß für die Höhe der Hallspannung bildet. Da dieses Magnetfeld direkt proportional dem durch den Leiter fließenden Strom ist, wird andererseits die Hallspannung auch proportional der Höhe des Stromes. Gegenüber den bekannten Stromwandlern hat eine derartige Meßeinrichtung unter anderem den Vorteil, daß sie außer bei Wechselströmen beliebiger Frequenz auch bei Gleichströmen anwendbar ist.
• Soll nun beispielsweise die Änderung des elektrischen Leitwertes des magnetfeldabhängigen Widerstandes ausgenutzt werden, so kann einer der oben beschriebenen Halbleiter verwendet werden, deren Widerstand unabhängig von der Richtung des magnetischen Feldes gleichsinnig und in guter Führung linear mit der Induktion zunimmt. Bei Verwendung eines derartigen Halbleiterkörpers als Hallgenerator kann die Stromrichtungsunabhängigkeit der Hallspannung erreicht werden, indem der das Magnetfeld erzeugende Differenzstrom zugleich durch den Hallgenerator geleitet wird. Kehrt der Differenzstrom seine Richtung um, so würde zwar bei konstantem Magnetfeld auch die Hallspannunr ihre Richtung umkehren; da jedoch die Richtung des Magnetfeldes ebenfalls von der Richtung' des Differenzstromes abhängig ist, sind die Richtungen beider die Hallspannung beeinflussender Größen umgekehrt, so daß die Hallspannung die gleiche Richtung beibehält. Eine derartige Anordnung hat zudem den Vorteil, daß die Hallspannung proportional dem Quadrat des Differenzstromes ist und somit eine besonders starke Abhängigkeit der Meßeinrichtung von dem Differenzstrom erreicht wird.
• An Hand der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele sei die Erfindung näher erläutert. In Fig. 1 ist die Meßeinrichtung nach der Erfindung zur Regelung einer gleichmäßigen Lastverteilung parallel geschalteter Elektromotoren angewendet. Die beiden Motoren 1 und 2 werden über eine Schaltautomatik mit Magnetverstärker 3 gespeist. Der Strom beider Motoren wird von Widerständen oder Stromwandlern 4 und 5 abgetastet und miteinander verglichen. Ist die Belastung beider Motoren gleich, so sind auch die an den Widerständen 4 und 5 abgegriffenen, den Motorströmen proportionalen Spannungen gleich, d. h., in dem Differenzstromkreis ist der Strom gleich Null. Tritt nun durch irgendwelche Umstände beispielsweise beim Schleudern eines Radsatzes bei elektrischen Triebfahrzeugen - eine Stromzunahme in einem der beiden Motoren auf, so fließt in dem Differenzstromkreis ein Strom, der ein den magnetfeldabhängigen Widerstand 7 beeinflussendes Magnetfeld erzeugt. Dabei ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zur Erzeugung des Magnetfeldes ein Elektromagnet 6 vorgesehen, dessen Erregerwicklung 6 a in den Differenzstromkreis geschaltet ist. Das durch den Differenzstrom erzeugte Magnetfeld bewirkt an dem Widerstand 7 eine Verkleinerung seines elektrischen Leitwertes, die in der Weise auf den Magnetverstärker 3 einwirkt, daß die Verstärkung des Magnetverstärkers herabgeregelt wird. Die nicht mit dargestellte und an sich bekannte Schaltautomatik bewirkt wieder das gleichmäßige Hochfahren der bei den Motoren 1 und 2.
• In Fig. 2 ist eine einfache Brückenschaltung dargestellt mit den vier Brückenwiderständen11,12,13 und 14. In der Brückendiagonalen 15, 16 befindet sich die Erregerwicklung 17 eines Elektromagneten 18, in dessen Luftspalt wiederum ein magnetfeldabhängiger Widerstand 19 angeordnet ist. Ist die Brücke verstimmt, beispielsweise durch Verändern des Widerstandes 12, so fließt über die Brückendiagonale 15 bis 16 und somit durch die Erregerwicklung 17 des Magneten 18 ein Strom. Das diesem Strom proportionale Magnetfeld beeinflußt den Widerstand 19 beispielsweise im Sinne einer Verringerung seines elektrischen Leitwertes. Diese Leitwertänderung kann gegebenenfalls mit Hilfe eines Magnetverstärkers zur Herstellung des Brückengleichgewichtes verwendet werden.
• Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele, sondern ist, wie auch bereits oben verschiedentlich angedeutet, für die verschiedensten Zwecke zur Erzielung eines stromrichtungsunabhängigen Meßergebnisses zu verwenden.
• Weiterhin ist es grundsätzlich auch möglich, die Erfindung für Wechselstrommessungen zu verwenden, Wird der magnetfeldabhängige Widerstand in dem Feld eines Elektromagneten angeordnet, so ist es zur Vermeidung von Remanenzerscheinungen sowohl bei Gleichstrom- als auch bei Wechselstrombetrieb zweckmäßig, für den Magnetkern ein magnetisch sehr weiches Material zu verwenden.

Claims (1)

1. PATENTANSPROCHE-1. Stromrichtungsunabhängiger Nullindikator für Brücken- und Kompensationsschaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß in einem dem Differenzstrom proportionalen Magnetfeld in an sich bekannter Weise ein Halbleiterkörper angeordnet ist, dessen magnetfeldabhängige Änderung seiner oeles trischen Eigenschaften zur Messung ausgenutzt ist, 2. Nullindikator nach Anspruch 1, dadurch gS kennzeichnet, daß als magnetfeldabhängiger Widerstand ein Halbleiterkörper mit einer Trägerbeweglichkeit von mindestens etwa 6000 cm2/Vs verwendet ist.

   3. Nullindikator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als magnetfeldabhängiger Widerstand eine halbleitende Verbindung von der Form AlIlBv verwendet ist.

   4. Nullindikator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiter eine Verbindung von einem der Elemente Bor, Aluminium, Gallium, Indium mit einem der Elemente Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon verwendet ist.

   5. Nullindikator nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung die itnderung des elektrischen Leitwertes des magnetfeldabhängigen Widerstandes ausgenutzt ist.

   6. Nullindikator nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung die tan derung der Hallspannung des magnetfeldabhängigen Widerstandes ausgenutzt ist.

   7. Nullindikator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zu messenden Stromkreis die Erregerwicklung eines den magnetfeldabhängigen Widerstand beeinflussenden Elektromagneten angeordnet ist.

   8. Nullindikator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der das Magnetfeld erzeugende Differenzstrom zugleich durch den Hallgenerator geleitet ist.

   9. Null indikator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Anwendung zur Regelung einer gleichmäßigen Lastverteilung parallel geschalteter Elektromotoren.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 687130; »Zeitschrift für Naturforschung«, 7 a (1952), S. 747/748.