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Magnetverstärkeranordnung Die Erfindung betrifft eine Magnetverstärkeranordnung,
insbesondere eine solche mit einem oder mehreren Halbleiterkörpern (Transistoren)
als Steuerorgane und mit Gleichstromspeisung.
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Die Mehrzahl der bisher bekannten magnetischen Verstärker wird von
einer Wechselstromquelle aus gespeist und ist daher in ihrer Funktion von der Frequenz
der Versorgungsspannung abhängig. Beispielsweise ist die Geschwindigkeit des Ansprechens
des magnetischen Verstärkers von der Frequenz der Speisespannung abhängig. Außerdem
ist oft der zeitliche Ablauf der Sättigungszyklen bisher bekannter magnetischer
Verstärker im wesentlichen gleich der Dauer der Rückstellzyklen, so daß die Schaltfunktionen
derartiger, magnetischer Verstärker den Schaltfunktionen zugeordneter Anordnungen
nicht befriedigend angepaßt werden können. Eine Verlängerung der Dauer der Rückstellzyklen
in bezug auf die Dauer der Sättigungszyklen ermöglicht ferner eine Verminderung
der Steuerleistung, so daß sich der Wirkungsgrad der Magnetverstärkeranordnung erheblich
erhöht.
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Bei einer bekannten Magnetverstärkeranordnung, bei der im Laststromkreis
die Wicklung eines magnetisierbaren Kernes, die Kollektor- und die Basiselektrode
eines Halbleiterkörpers, die Sekundärwicklung eines Speisetransformators und ein
Verbraucher liegen, während die Steuerung mittels einer an die Emissions- und dieBasiselektrode
angelegten Wechselspannung erfolgt, ist es zwar möglich, durch Veränderung des Steuerstromes
das Verhältnis der Dauer der Sättigungszyklen zur Dauer der Rückstellzyklen zu variieren,
indem der magnetisierbare Kern während der Rückstellzyklen nur bis zu einem beliebigen
Punkt und nicht bis zum negativen Extremwert unmagnetisiert wird; doch weist diese
Anordnung neben dem Nachteil der Frequenzabhängigkeit infolge der Speisung und Steuerung
mittels Wechselstrom den weiteren Nachteil auf, daß die Variation des gegenseitigen
zeitlichen Verhältnisses der vorgenannten Zyklen nur bis zu relativ niedrigen Proportionswerten
realisiert werden kann. Wird nämlich ein zu großer Unterschied in der Dauer beider
vorgenannter Zyklen angestrebt, kann der magnetisierbare Kern während der positiven
Halbwelle der Speisespannung nicht mehr gesättigt werden, was die eigentliche Regelfunktion
der Magnetverstärkeranordnung unmöglich macht.
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Die Erfindung vermeidet die Nachteile bekannter Anordnungen zur gesteuerten
Stromversorgung eines Verbrauchers erfindungsgemäß durch eine dem magnetisierbaren
Kern zugeordnete Hilfswicklung, die derart gepolt und derart in den Stromkreis des
Halbleiterkörpers geschaltet ist, daß die an der genannten Hilfswicklung während
des durch mindestens einen Startimpuls eingeleiteten Sättigungsvorganges entstehende
induzierte Spannung den Halbleiterkörper bis zur Beendigung des Sättigungsvorganges
des magnetisierbaren Kernes in leitendem Zustand hält, und durch eine dem magnetisierbaren
Kern zugeordnete Steuerwicklung, wobei der zeitliche Ablauf der Rückmagnetisierung
des vorgenannten Kernes durch den Wert einer an die genannte Steuerwicklung angelegten
Steuerspannung bestimmbar ist.
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Die Fig. 1 bis 4 der Zeichnung zeigen vier Ausführungsbeispiele der
erfindungsgemäßen Magnetverstärkeranordnung.
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Gemäß Fig. 1 dient eine Magnetverstärkeranordnung 10 zur Versorgung
eines Verbrauchers 12. Der Verstärker 10 besteht aus einem Sättigungskreis 14, der
einen magnetisierbaren Kern 16 auf Sättigung bringt, und einem Steuerkreis 18 zur
Rückführung der Magnetisierung des magnetisierbaren Kernes 16 auf einen Wert, der
durch die Größe einer Steuergleichspannung, angelegt an den Klemmen 20 und 20',
bestimmt wird.
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Wie ersichtlich, besteht der Sättigungskreis 14 aus einer Gleichstromquelle
22, einer dem magnetisierbaren Kern16 zugeordneten Hauptwicklung24, einem Halbleiterkörper
26 zum Regeln der Erregung der Hauptwicklung 24 durch die Stromquelle 22 und einer
ebenfalls dem Kern 16 zugeordneten Haltewicklung 28.
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Der Halbleiterkörper 26 besitzt eine Emissionselektrode 30, eine Kollektorelektrode
32 und eine Basiselektrode 34. In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist der Transistor
26 von p-n-p-Typus. An Stelle dieses Typus kann jedoch auch ein Halbleiterkörper
des
n-p-n-Typus verwendet werden, vorausgesetzt, daß die verschiedenen Stromquellen
entsprechend gepolt werden. Auch andere Halbleitertypen können Verwendung finden.
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Der Startimpuls zur Inbetriebsetzung der Anordnung wird an die Klemmen
36 und 36' angelegt. Diese sind durch einen Widerstand 38 miteinander verbunden.
Bei Inbetriebsetzung durch einen Startimpuls der angegebenen Polarität wird der
Transistor 26 leitend, und die Stromquelle 22 bewirkt einen Stromfluß durch die
Hauptwicklung 24. Der Strom fließt von der positiven Klemme der Stromquelle 22 durch
die Emissionselektrode 30 des Halbleiterkörpers 26, die Kollektorelektrode 32 und
die Hauptwicklung 24 zur negativen Klemme der Stromquelle 22. Dieser durch die Hauptwicklung
24 fließende Strom bringt den magnetisierbaren Kern 16 in das Gebiet der magnetischen
Sättigung in positiver Richtung.
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Um den Halbleiterkörper 26 über die Dauer des Startimpulses hinaus
leitend zu erhalten, d. h. um den Stromfluß von der positiven Klemme der Quelle
22 durch den Halbleiterkörper 26 und die Hauptwicklung 24 zu der negativen Klemme
der Quelle 22 aufrechtzuerhalten, ist eine Haltewicklung 28 auf dem inagnetisierbaren
Kern 16 derart angeordnet, daß in dieser Haltewicklung eine Spannung von einer derartigen
Richtung induziert wird, daß die Aufrechterhaltung der Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers
26 gewährleistet ist. Diese an der Haltewicklung 28 auf -tretende Spannung wird
durch die Änderung in den Fluß des Kernes 26 bewirkt. Der fortdauernde Stromfluß
durch die Hauptwicklung 24 bringt den magneti -sierbaren Kern 16 vollständig in
den Stand der Sättigung. Wenn der magnetisierbare Kern 16 den Zustand der Sättigung
erreicht hat, verringert sich die in der Haltewicklung 28 induzierte Spannung iui
wesentlichen auf den Wert Null. Dadurch wird der Halbleiterkörper 26 nichtleitend,
was eine Unterbrechung des Stromkreises zwischen der Stromquelle 22 und der Hauptwicklung
24 zur Folge hat.
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Um die Magnetisierung im Kern 16 auf einen Wert zurückzustellen, der
durch die Größe der Steuergleichspannung an den Klemmen 20 und 20' bestimmt ist,
ist eine Steuerwicklung 40 auf dem Magnetkern 16 vorgesehen. Zum Zwecke der Begrenzung
des Stromflusses durch die Steuerwicklung 40 während der Sättigungsperiode ist ein
Widerstand 42 mit der Steuerwicklung 40 in Reihe geschaltet. Der zu speisende Verbraucher
12 ist an eine dem magnetisierbaren Kern 16 zugeordnete Lastwicklung 44 angeschlossen.
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Die Arbeitsweise der Magnetverstärkeranordnung ist folgende: Ein Arbeitsablauf
besteht aus zwei Teilen: dem Sättigungs- und dem Rückstellzyklus. Der erstere Zyklus
wird durch Anlegen eines Startimpulses an Klemmen 36 und 36' eingeleitet. Dieser
Startimpuls ist von der aus Fig. 1 ersichtlichen Polarität und bewirkt einen Stromfluß
von der Emissionselektrode 30 zur Basiselektrode 34 des Halbleiterkörpers 26, wodurch
letzterer leitend wird. Dadurch kann dieHauptwicklung 24 durch die Stromquelle 22
erregt werden, was eine Magnetisierung des Kernes 16 in das Gebiet der Sättigung
bewirkt.
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Während dieses Sättigungsvorganges wird in der Haltewicklung 28 eine
Spannung von solcher Richtung induziert, daß der Halbleiterkörper 26, wie bereits
erwähnt, leitend gehalten wird. Sobald aber der Kern 16 im wesentlichen vollständig
gesättigt ist, verringert sich die Spannung an der Haltewicklung 28 auf Null, und
der Halbleiterkörper 26 wird nichtleitend. Damit ist der Sättigungszyklus beendet.
Ferner wird auch in der Lastwicklung 44 während des Sättigungszyklus eine Spannung
induziert; fließt daher während dieses Zyklus ein Strom durch den Verbraucher 12.
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Während- des darauffolgenden Rückstellzyklus be, wirkt die an die
Klemmen 20 und 20' gelegte Steuergleichspannung eine Rückführung der Magnetisierung
des Kernes 16 auf einen Wert, der durch die Höhe dieser Steuergleichspannung bestimmt
ist. Auch währ rend dieses Rückstellzyklus fließt der Strom durch den Verbraucher
12, da die Steuergleichspannung an den Klemmen 20 und 20' eine Änderung des Flusses
im Kern 16 bewirkt, die ihrerseits eine induzierte Spannung in der Lastwicklung
44 zur Folge hat, Hervorzuheben ist, daß der Rückstellzyklus von größerer Dauer
sein kann als der Sättigungszyklus: Ist dies der Fall, so kann die Leistungssteuerung
mit einer wesentlich geringeren Steuergleichspannung, als sie zur Steuerung bei
zeitlicher Übereinstimmung der beiden vorgenannten Zyklen notwendig wäre, durchgeführt
werden, da die Steuergleichspannung an der Steuerwicklung 40 während einer längeren
Zeitspanne wirkt.
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Der Arbeitszyklus der dargestellten Anordnung muß jeweils durch einen
Startimpuls von neuem angeregt werden.
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In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind für die in Fig. 1 schon dargestellten
Bauelemente gleiche Bezugsziffern verwendet. Der Hauptunterschied zwischen den beiden
Ausführungsformen besteht darin. daß nach Fig. 2 ein Halbleiterkörper 50 des p-n-p,-Typus
in veränderter Weise gegenüber demjenigen in Fig. 1 in den Sättigungskreis 14 geschaltet
ist.
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Der Halbleiterkörper 50 besitzt ebenfalls eine Emissionselektrode52,
eine Kollektorelektrode54 und eine Basiselektrode 56. Der die Inbetriebsetzung bewirkende
Startimpuls wirkt zwischen der Emissiong,-elektrode 52 und der Basiselektrode 56.
Die Speisestromquelle 22 bewirkt gemäß Fig. 2 einen Stromfluß durch die Basiselektrode
56 und die Kollektorelektrode 54 im Gegensatz zu den Verhältnissen beim Beispiesl
gemäß Fig. 1, wo die Stromquelle 22 einen Stromfluß durch die Emissionselektrode
30 und die Kollektorelektrode 32 des Transistors 26 bewirkt. Wie nachstehend erläutert,
üben die beiden Halbleiterkörper 26 und 50 trotz der Verschiedenheit der Schaltung
die gleichen Funktionen in ihren zugehörigen Kreisen aus. Wenn beispielsweise ein
Startimpuls an den Widerstand 38 der Fig. 2 mit der dargestellten Pola-
rität
gelegt wird, wird der Halbleiterkörper 50 leitend; es kann somit Strom von der Stromquelle
22 durch die Basiselektrode 56 und die Kollektorelek trode 54 des Halbleiterkörpers
50 und die Hauptwicklung 24 fließen. Dieser Stromfluß durch die Hauptwicklung 24
bewirkt wie beim Beispiel gemäß Fig, 1 die Überführung des magnetisierbaren Kernes
16 gegen das Gebiet der Sättigung. Die Haltewicklung 58, nun entgegengesetzt gewickelt
zur Haltewicklung 28 der Fig. 1, erhält den Halbleiterkörper `50 leitend, bis der
magnetisierbare Kern 16 vollständig gesättigt ist. Da die Wirkungsweise der Ausführungsform
gemäß Fig.2 im übrigen die gleiche ist wie jene der Ausführungsform gemäß Fig. 1,
erübrigt sich eine weitere Erläuterung.
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Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes.
Die schon in Fig. 1 dargestellten Bauelemente sind in Fig. 3 mit den gleichen Bezugszeichen
versehen. Der Hauptunterschied zwischen den
Anordnungen der Fig.
1 und 3 liegt darin, daß gemäß Fig. 3 eine Schaltvorrichtung, in diesem Beispiel
ein Halbleiterkörper 60, im Steuerkreis liegt, um eine Beeinflussung des Steuerkreises
durch den Sättigungs-und den Lastkreis zu verhindern. Durch diesen Schalttransistor
60 wird zudem die Steuerleistung erhöht, wodurch eine geringere Steuerspannung erforderlich
ist.
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U m sicherzustellen, daß der Halbleiterkörper 26 in Fig.3 während
des Rückstellzyklus vollständig abgeschaltet ist, ist eine Gleichstromvorspannungsquelle
62 zwischen einem Ende des Widerstandes 38 und der Emissionselektrode 30 vorgesehen.
Es müssen somit zur Entspannung des Halbleiterkörpers 26 die in der Haltewicklung
28 induzierte Spannung und auch der an die Klemmen 36 und 36' gelegte Startimpuls
eine größere Amplitude als die durch die Stromquelle 62 erzeugte Spannung aufweisen.
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Der weitere Halbleiterkörper 60 umfaßt eine Emissionselektrode 64,
eine Kollektorelektrode 66 und eine Basiselektrode 68. Um den Halbleiterkörper 60
während des Sättigungszyklus in nichtleitendem Zustand zu erhalten, ist eine Haltewicklung
70 auf dem magne tisierbaren Kern 16 angeordnet und derart zwischen die Emissionselektrode
64 und die Basiselektrode 66 des Halbleiterkörpers 60 geschaltet, daß die während
des Sättigungszyklus in der Haltewicklung 70 induzierte Spannung den Halbleiterkörper
60 nichtleitend hält. Dies hat zur Folge, daß während des Sättigungszyklus die an
die Klemmen 20 und 20' gelegte Steuergleichspannung keinen Stromfluß durch die Steuerwicklung
40 bewirken kann und der Steuerkreis den Einflüssen von Sättigungs- und Lastkreis
entzogen ist. Um den Halbleiterkörper 60 während der Rückstellperiode leitend zu
machen, ist eine Gleichstromvorspannung 72 zwischen der Emissionselektrode 64 und
der Basiselektrode 68 vorgesehen. Die Gleichstromvorspannung 72 liegt ferner in
Reihe mit der Haltewicklung 70. Die in der Haltewicklung 70 während des Sättigungszyklus
induzierte Spannung muß größer sein als die durch die Stromquelle 72 erzeugt; Spannung,
um eine Sperrung des Halbleiterkörpers 60 zu bewirken.
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Um am Verbraucher 12 lediglich Gleichstrom zu erhalten, ist ein Einweggleichrichter
74 in Reihe mit der Lastwicklung 44 und mit dem Verbraucher 12 geschaltet. Durch
den Gleichrichter 74 wird der Durchgang eines Stromes durch den Verbraucher 12 während
des Rückstellzvklus verhindert.
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Somit ist der wesentliche Unterschied in der Arbeitsweise der Ausführungsformen
der Fig. 1 und 3 der, daß gemäß Fig.3 die Gleichstromvorspannung 62 mit Sicherheit
gewährleistet, daß der Halbleiterkörper 26 während des Rückstellzyklus nichtleitend
bleibt. Da im übrigen die Arbeitsweise der Einrichtung der Fig. 3 übereinstimmt
mit jener der Fig. 1, erscheint eine weitere Erläuterung der Fig.3 entbehrlich.
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Fig.4 zeigt eine weitere Ausführungsform, deren Hauptunterschied gegenüber
der Ausführungsform nach Fig.2 darin besteht, daß der Startimpuls zur Leitendmachung
des Halbleiterkörpers 26 und die Spannung zur abwechselnden Leitend- und Nichtleitendmachung
des weiteren Halbleiterkörpers 60 von einer Wechselstromquelle mit vorzugsweise
rechteckförmigem Spannungsverlauf ausgehen. Diese Spannung wird an Klemmen 80 und
80' der Primärwicklung 84 eines Transformators 82 angelegt. Die eine Sekundärwicklung
86 des Transformators 82 ist an die Emissionselektrode 30 des Halbleiterkörpers
26 einerseits und über einen Kondensator 90 an die Basiselektrode 34 andererseits
angeschlossen zu dem Zweck, zwischen diesen beiden Elektroden den Startimpuls anzulegen.
Wie bereits erläutert, liegt ein Kondensator 90 in Reihe mit der Sekundärwicklung
86, um die Dauer der ausgangsseitig der Sekundärwicklung 86 auftretenden Impulse
zu verringern. Dadurch wird verhindert, daß der Ablauf des Sättigungsvorganges durch
die Rechteckspannung gestört wird.
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Wie gezeigt, ist ein Widerstand 92 in Reihe geschaltet mit der Haltewicklung
28 der Emissionselektrode 30 des Halbleiterkörpers 26 und der Basiselektrode 34.
Dieser Widerstand 92 dient zur Verhinderung einer Kurzschließung der Sekundärwicklung
86 durch die Hilfswicklung 28.
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Wie bereits erläutert, wird der Halbleiterkörper 60 durch die Spannung
an der Sekundärwicklung 88 des Transformators 82 abwechselnd in den leitenden und
in den nichtleitenden Zustand gebracht.
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Die Sekundärwicklungen 86 und 88 sind derart gewickelt, daß während
des Sättigungszyklus die Spannung an diesen Wicklungen 86 und 88 die in Fig.4 angedeutete
Polarität besitzt. Das heißt, die Spannung der Sekundärwicklung 86 ist derart gepolt,
daß während des Sättigungszyklus der Halbleiterkörper 26 leitend gemacht ist, während
im gleichen Zyklus die Spannung an der Sekundärwicklung 88 derart gepolt ist, daß
der weitere Halbleiterkörper 60 nichtleitend ist, wodurch der Steuerkreis durch
den Sättigungs- und den Verbraucherkreis nicht beeinfluß' wird.
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Da im übrigen die Einzelheiten und die Arbeitsweise der Ausführungsform
nach Fig. 4 übereinstimmen mit derjenigen nach Fig. 3, erscheint eine weitere Beschreibung
entbehrlich.
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Es sei hervorgehoben, daß bei den Ausführungsbeispielen mach Fig,
1 bis 4 die Möglichkeit besteht, die Halbleiterkörper 26 und 50 ohne Anlegung einer
Startspannung leitend zu machen. Das heißt, daß in manchen Fällen. wenn die Steuergleichspannung
den magnetisierbaren Kern 16 in negativer Richtung auf Sättigung gebracht hat, die
Spannung an der Steuerwicklung 40 augenblicklich abnimmt; und infolge der Streukapazität
der auf dem Kern 16 angeordneten Wicklungen kann eine Stoßspannung von umgekehrter
Polarität an den Halte-,vicklungen 28 und 58 von einem für die Einleitung des Sättigungszyklus
ausreichenden Wert eintreten.
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Ferner sei hervorgehoben, daß der Verbraucher 12 auch mit der Hauptwicklung
24 entweder in Reihe oder parallel geschaltet werden kann. In derartigen Fällen
ist die Lastwicklung 44 entbehrlich. Ferner kann auch die Steuergleichspannung direkt
an die Hauptwicklung 24 angelegt werden, wodurch die Steuerwicklung 40 entbehrlich
wird. Wenn die Wicklung 24 nicht lediglich als Hauptwicklung, sondern auch als Last-
oder Steuerwicklung arbeitet, fehlt jedoch zwischen den verschiedenen Kreisen der
Magnetverstärkeranordnung eine galvanische Trennung, weshalb die dargestellten Ausführungsformen
im allgemeinen vorzuziehen sind'.
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Wie bereits angedeutet, können andere Typen elektronischer Vorrichtungen,
welche drei oder mehr Elektroden besitzen, auch an die Stelle der darge stellten
und beschriebenen Halbleiterkörper treten.