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Magnetischer Verstärker Die Erfindung betrifft magnetische Verstärker,
in denen Rückstromeffekte auftreten. Die Erfindung schlägt Vorspannungsanordnungen
vor, um einen ungewünschten Stromfluß in den Eingangsstromkreisen solcher magnetischer
Verstärker unter dem Einfluß einer Rückstromkompensation zu vermeiden. Magnetische
Verstärker nach der Erfindung können der Reihentype oder der Paralleltype angehören,
und unter den verschiedenen Formen der Ausbildung können homplementsignale bildende
und keine Kompleinentsignale bildende Verstärker sein. Ein Komplementsignale bildender
Verstärker wird in diesem Zusammenhang definiert als ein Verstärker, welcher ein
Ausgangssignal erzeugt in Abwesenheit von Eingangssignalen und bei welchem Eingangssignale
ein Ausgangssignal unterbinden. Keine Komplementsignale bildende Verstärker werden
als Verstärker definiert, welche ein Ausgangssignal nur bei Auftreten eines Eingangssignals
erzeugen.
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Verstärker dieser Art enthalten einen Kern aus inagnetisierbarem Material,
welcher eine im wesentlichen rechteckige Hysteresisschleife aufweisen kann, jedoch
auch eine andere Ausbildung der Hysteresisschleife zu besitzen vermag. Solch ein
Kern trägt normalerweise eine Treibwicklung und eine Eingangswicklung. Bei Verstärkern
der Reihentype bildet die Treibwicklung auch die Ausgangswicklung. Bei Verstärkern
der Paralleltype ist eine zusätzliche Wicklung als Ausgangswicklung auf dem Kern
vorgesehen. In jedem Fall ist es üblich, die Treibwicklung durch eine Spannungsquelle
zu erregen, welche periodische Impulse liefert, die von rechteckiger, sinusförmiger
oder irgendeiner anderen Ausbildung sein mögen. Gleichrichtermittel sind gewöhnlich
in Reihe mit dieser Treibwicklung und dieser Spannungsquelle angeordnet, so daß
Impulse einer bestimmten Polarität einen Stromfluß durch die Treibwicklung in einer
gewünschten Richtung hervorrufen. Diese Treibimpulse bewirken, daß der Arbeitspunkt
des Kernes längs einem gesättigten Teil oder einem ungesättigten Teil seiner Hysteresisschleife
verschoben wird, je nachdem, ob Signale an die Eingangswicklung angelegt sind oder
nicht, wobei Ausgangssignale erzeugt werden oder nicht erzeugt werden, je nachdem,
welcher Teil der Hysteresisschleife des Kernes durchlaufen wird. Im Falle eines
magnetischen Verstärkers der Reihentype tritt ein Ausgangssignal auf, sobald ein
Kern von einem Remanenzpunkt im den Sättigungsbereich desselben Astes der Hysteresisschleife
gesteuert wird. Bei der theoretischen Betrachtung solcher Verstärker bleibt der
Kern an diesem Remanenzpunkt, bevor ein Treibimpuls eintrifft, wenn ein Ausgangsimpuls
gellvünscht wird. Im praktischen Betrieb- weicht jedoch das Verhalten derartiger
magnetischer Verstärker von der theoretischen Wirkungsweise ab, und zwar infolge
des Auftretens eines Rückstromflusses in der Treibwicklung anschließend an die Beendigung
eines Treibimpulses und vor dem Auftreten des nächsten Treibimpulses. Solche Rückstromflüsse
können aus verschiedenen Ursachen auftreten; in erster Linie sind sie verursacht
durch Induktivität und durch verteilte Kapazität der Treibwicklung. Sie können auch
verursacht sein durch Strom in der Sperrichtung oder vorübergehende Verstärkung
des geringen Stromflusses in der Sperrichtung von Gleichrichtern, die in Reihe mit
der Treibwicklung und der Treibspannungsquelle liegen.
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Die Eigenschaften solcher Rückstromflüsse werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher erörtert. Für die Zwecke dieser Beschreibung wie auch der Ansprüche
wird ein Rückstromfluß definiert als ein vorübergehender Stromfluß in der Treibwicklung
des Verstärkers in einer Richtung, die entgegengesetzt ist zu der, die durch die
Treibspannungsimpulse hervorgerufen wird, welche an die Treibwicklung angelegt werden,
und der Auftritt zu Zeiten, die zwischen dem Auftreten dieser Treibspannungsimpulse
liegen. Diese in ihrer Richtung den Treibimpulsen entgegengesetzten Rückstromflüsse
haben das Bestreben, den Kern von einem gewünschten Remanenzpunkt auf der größeren
Hysteresisschleife des Kernmaterials zu einem nicht gewünschten Remanenzpunkt auf
der kleineren Hysteresisschleife des Materials zu verschieben,
so
daß der nächstfolgende Treibimpuls den Kern durch einen ungesättigten Bereich seiner
Hysteresisschleife vor der Erzeugung eines Ausgangsimpulses an dem Verstärker steuern
muß. Diese auch als Sprungeffekt bezeichnete Verschiebung vermindert natürlich die
Amplitude des Ausgangsimpulses des Verstärkers und bewirkt eine Verringerung der
Wirksamkeit.
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Als Mittel zur Kompensierung von Rückstromflüssen wird im allgemeinen
eine Vorspannungsquelle verwendet, welche zwischen dem Auftreten der Treibimpulse
wirksam ist, um den Kern von einem ungewünschten Arbeitspunkt, auf den er unter
dem Einfluß des Rückstromflusses eingestellt wurde, auf einen gewünschten Arbeitspunkt
vor dem Auftreten des nächtfolgenden Treibimpulses zurückzuverstellen. Es ist zu
beachten, daß diese Rückstellung des Kernes zur Kompensation von Rückstromflüssen
einen Flußwechsel in dem Kern hervorruft, welcher ein ungewünschtes Potential in
der Eingangswicklung des Verstärkers induzieren kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, solche ungewünschten Stromflüsse in der Eingangswicklung zu verhindern,
die durch die Rückstellung des Kernes zur Kompensation von Rückstromeinflüssen induziert
werden.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß bei einem magnetischen
Verstärker, der unter dem Einfluß eines Treibimpulses von einem ersten Arbeitspunkt
seiner Hysteresisschleife auf einen zweiten Arbeitspunkt der Hysteresisschleife
in Abhängigkeit von dem vorherigen Auftreten eines Signalimpulses verstellt wird
und bei dem diese Treibimpulse das Bestreben haben, im Anschluß an die Beendigung
jedes Treibimpulses einen vorübergehenden Stromfluß in der ersten Wicklung zu erzeugen
und dadurch den Kern auf einen dritten Arbeitspunkt der Hysteresiskurve zu verstellen,
erfindungsgemäß Vorspannungsmittel vorgesehen sind, die geeignet sind, den Kern
von dem dritten Arbeitspunkt zu dem ersten Arbeitspunkt der Hy steresisschleife
vor dem Auftreten des nächstfolgenden Treibimpulses zurückzusteuern, und weitere
Vorspannungsmittel mit dem Verstärker gekuppelt sind, die geeignet sind, einen Stromfluß
in der Signalwicklung unter dem Einfluß der Flußänderungen des Kernes während der
Rückstellung von dem dritten Arbeitspunkt zu dem ersten Arbeitspunkt zu unterbinden.
Gegenüber bekannten Anordnungen sieht die Erfindung somit weitere Vorspannungsmittel
in magnetischen Verstärkern vor, welche einen Stromfluß in dem Eingangsstromkreis
verhindern, der durch die Rückstromkompensation erzeugt worden wäre. Die Erfindung
vermeidet hierdurch ungewünschte Belastungen der Eingangsstromquelle unter dem Einfluß
ungewünschter Stromflüsse in dem Eingangskreis des magnetischen Verstärkers.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigt Fig. 1 eine Hysteresisschleife eines magnetischen Materials, welches vorzugsweise,
aber nicht notwendigerweise in den Kernen von magnetischen Verstärkern nach der
Erfindung verwendet wird, Fig. 2 einen schematischen Stromlauf für einen magnetischen
Verstärker nach der Erfindung, Fig. 3 A und 3 B Kurvenformen von Impulsen, welche
in Verbindung mit dem Stromlauf in Fig.2 verwendet werden.
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Ein magnetischer Verstärker (Fig.2) besteht aus einem Kern 10, der
eine Treibwicklung 11 und eine Signal- oder Eingangswicklung 12 trägt. Fig. 2 zeigt
einen komplementierenden magnetischen Verstärker der Reihentype, aber die Erfindung
ist auf derartige Verstärker nicht beschränkt. Die Grundzüge der Erfindung sind
auch anwendbar bei anderen Formen magnetischer Verstärker sowohl der Impuls- als
auch der Trägertype.
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Der Kern 10 besteht vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise aus
einem magnetischen Material, welches eine im wesentlichen rechteckige Hysteresisschleife
besitzt. Der Kern kann in den verschiedensten geometrischen Formen ausgeführt sein.
Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte geometrische Form oder eine bestimmte
Ausbildung der Hysteresisschleife des Kernes beschränkt. Die verschiedensten Abwandlungen
stehen dem Fachmann zur Verfügung.
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Die Treibwicklung 11 ist mit ihrem oberen Ende über einen Gleichrichter
D 1 mit der Spannungsquelle 13 gekoppelt, welche periodisch auftretende positive
und negativ verlaufende Impulse (Fig.3A) liefert; wie bereits erwähnt, können diese
Impulse die verschiedensten Ausbildungsformen aufweisen. Das untere Ende der Wicklung
11 ist über einen Gleichrichter D 2 zu einem Ausstoßpunkt 14 verbunden, wobei Ausgangsimpulse
wahlweise an der Last RL auftreten. Ein Kriechstromunterdrückerkreis D3-R1 ist auch
mit der Treibwicklung 11 verbunden, so daß nur gewünschte Ausgangsimpulse an dem
Ausgang 14 auftreten. Die Signal- oder Eingangswicklung 12 ist mit ihrem oberen
Ende über einen Gleichrichter D 4 mit der Eingangsklemme 15 verbunden. Ihr unteres
Ende ist an eine Stromquelle 16 angeschlossen, welche periodisch auftretende Sperrimpulse
erzeugt, wie sie in Fig. 3 B dargestellt sind.
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Wie bereits erwähnt, übt der in Fig. 2 dargestellte Stromlauf eine
Komplementsignale bildende Wirkung aus, d. h., Ausgangsimpulse werden in der Abwesenheit
von Eingangsimpulsen erzielt, während bei Auftreten eines Eingangsimpulses ein Ausstoßimpuls
unterbunden wird. Die theoretische Wirkungsweise des Stromlaufes ist folgende: Angenommen,
der Kern 10 liegt auf seinem Plus-Remanenzpunkt 20 (Fig. 1), dann
ruft das Auftreten eines positiv verlaufenden Impulses an der Klemme 13 während
des Zeitintervalls tl-t2 einen Stromfluß durch die Treibwicklung 11 hervor, durch
den der Kern 10 von dem positiven Remanenzpunkt 20 in den positiven Sättigungsbereich
21 gesteuert wird. Während dieser Eregung tritt eine verhältnismäßig kleine Flußänderung
in dem Kern 10 auf, wodurch die Treibwicklung 11 eine niedrige Impedanz besitzt
und praktisch die gesamte Energie des Treibimpulses über den Gleichrichter
Dl, die Wicklung 11 und den Gleichrichter D2 zu der Ausgangsklemme 14 verläuft.
Während des gleichen Zeitintervalls tl t2 steigt an dem unteren Ende der Eingangswicklung
12 die Spannung der Sperrstromquelle 16 auf das positive Potential +E2 an und verursacht
hierdurch, daß der Gleichrichter D 4 trennt, so daß die Flußänderungen in dem Kern
10 keinen Stromfluß in der Eingangswicklung 12 hervorrufen. Solange an die
Klemme 15 kein Eingangsimpuls angelegt wird, wird der Kern 10 periodisch von dem
Plus-Remanenzpunkt20 zu dem positiven Sättigungsgebiet 21 gesteuert, und jeder positiv
verlaufende Steuerimpuls ruft einen Ausstoßimpuls an der Klemme 14 hervor.
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Wird während eines Zeitintervalls, wenn der Treibimpuls an der Klemme
13 nach der negativen Seite geht, während des Zeitintervalls t27 t3, ein Eingangsimpuls
an die Klemme 15 angelegt, dann wird ein Stromfluß in der Eingangswicklung 12 hervorgerufen,
durch den der Kern 10 von seinem positiven
Remanenzpunkt 20 an den
Anfang 22 des negativen Sättigungsbereiches umgesteuert wird. Nach der Beendigung
des Eingangsimpulses gelangt der Kern auf seinen negativen Remanenzpunkt 23, so
daß der nächstfolgende positive Steuerimpuls z. B. während des Zeitintervalls t.,-t4
den Kern durch den ungesättigten Bereich von dem negativen Remanenzpunkt 23 an den
Anfang 24 des positiven Sättigungsbereiches umsteuert. Bei der Umsteuerung in diesem
ungesättigten Bereich des Kernes tritt eine relativ große Flußänderung in dem Kern
10 auf, wodurch die Wicklung 11 eine hohe Impedanz für den positiv gehenden Treibimpuls
besitzt und praktisch die gesamte Energie dieses Treibimpulses in der Wicklung 11
aufgebraucht wird. Ein schwacher Ausstoß, der während der Umsteuerung von dem Arbeitspunkt
23 zu dem Arbeitspunkt 24 noch auftreten könnte, wird durch den Kriechstromunterdrücker
D3, R1 unterdrückt. Liegt kein weiterer Eingangsimpuls vor, dann kehrt der Kern
10 zu dem positiven Remanenzpunkt 20 zurück, worauf der nächstfolgende positive
Treibimpuls wieder den Kern in den positiven Sättigungsbereich steuert und hierbei
einen Ausstoß des Verstärkers erzeugt.
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Bei dieser theoretischen Wirkungsweise muß der Kern 10, wenn Ausgangsimpulse
gewünscht werden, zwischen den Arbeitspunkten 20 und 21 bei jedem positiv verlaufenden
Treibimpuls gesteuert werden. Im praktischen Betrieb jedoch treten Abweichungen
von dieser theoretischen Wirkungsweise auf, und zwar in erster Linie infolge des
früher bereits erwähnten Rückstromflusses. Betrachtet man die Fig. 1 und 2 und nimmt
man an, daß kein Eingangsimpuls im Zeitintervall t.-t. angelegt ist oder vor Beginn
des Zeitpunktes t1, dann treibt der positiv verlaufende Treibimpuls, der in dem
Zeitintervall ti t2 auftritt, den Kern in den Sättigungsbereich 21. Im Zeitpunkt
t2 wird das Potential des Treibimpulses an der Klemme 13 negativ. Unter diesem Einfluß
sollte der Kern theoretisch zum positiven Remanenzpunkt 20 zurückkommen. Die Induktivität
19 und die verteilte Kapazität 17 der Ausgangswicklung 11 sind jedoch bestrebt,
einen umgekehrten Stromfluß durch die Wicklung 11 in einer Richtung entgegengesetzt
derjenigen des positiv gehenden Treibimpulses zu erzeugen, wenn der Treibimpuls
vom positiven zum negativen Potential wechselt. Dieser umgekehrte Stromfluß ist
verstärkt durch möglicherweise von dem Gleichrichter D 1 in der Sperrichtung durchgelassenen
Strom, der durch den äquivalenten Durchlaßwiderstand 18 angedeutet ist, oder durch
vorübergehende Vergrößerung des Sperrstromes oder durch Entladeströme, welche in
entgegengesetzter Richtung von dem Gleichrichter D 1 veranlaßt sein können,
wenn der Gleichrichter D 1 ein Halbleitermaterial enthält.
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Der kombinierte Effekt der Induktivität 16 und der verteilten Kapaziät
17 der Steuerwicklung 11 in Verbindung mit dem Durchlaßwiderstand 18 und einem vergrößerten
Stromfluß durch die Gleichrichter, die in der Stromkreisanordnung verwendet werden,
ruft einen Stromimpuls durch die Wicklung 11 in einer Richtung hervor, die entgegengesetzt
ist zum Stromfluß der positiv gehenden Treibimpulse, und zwar in einem Zeitpunkt,
der unmittelbar auf die Beendigung eines positiven Treibimpulses folgt. Dieser entgegengesetzte
Stromfluß oder Rückstromfluß ist bestrebt, den Kern von dem gewünschten positiven
Remanenzpunkt 20 zu, einem Arbeitspunkt, wie z. B. dem Arbeitspunkt 25 (Fig. 1),
zu verstellen; nach der Beendigung des entgegengesetzten Stromflusses kehrt der
Kern an einen Remanenzpunkt 26 der kleineren Hysteresisschleife zurück und nicht
zu dem gewünschten Remanenzpunkt 20 der größeren Hysteresisschleife. Der nächstfolgende
positiv verlaufende Treibimpuls, der an der Klemme 13 auftritt, muß daher den Kern
10 durch einen ungesättigten Bereich seiner Hysteresisschleife treiben, bevor ein
Ausgang erzielt wird, wodurch die Wirksamkeit vermindert wird. Eine typische Anordnung
zur Rückstromkompensation kann eine V orspannungsquelle enthalten, welche aus Widerstand
R2 und Spannungsquelle V2 gebildet wird und die mit der Treibwicklung 11 in der
in. Fig. 2 dargestellten Weise verbunden sind. Die aus den Elementen V2 und R2 gebildete
Vorspannungsquelle bewirkt einen Vorspannungsstromfluß der Wicklung 11 in einer
Richtung, die entgegengesetzt zu den Rückstromflüssen ist, wobei der Kern 10, der
auf den Arbeitspunkt 26 durch die Rückstromflüsse umgesteuert worden ist, auf den
Arbeitspunkt 20 vor dem Auftreten des nächstfolgenden Treibimpulses zurückgesteuert
wird.
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Wenngleich diese Rückstromkompensationsanordnung den Rückstromeffekt
kompensiert, ist sie mit weiteren Nachteilen verbunden. Man muß berücksichtigen,
daß die Wirkungsweise der Rückstromkompensationsanordnung darin besteht, daß der
Kern 10 von einem Arbeitspunkt, z. B. dem Arbeitspunkt 25 oder 26, an seinen Arbeitspunkt
20 zurückgesteuert wird zwischen dem Auftreten der periodischen, positiv verlaufenden
Treibimpulse. Während dieser Rückstellung des Kernes vom Arbeitspunkt 26 auf den
Arbeitspunkt 20 tritt eine geringe Flußänderung in dem Kern 10 in derselben Richtung
auf, die durch die positiv gehenden Treibimpulse der Wicklung 11 hervorgerufen wird.
Diese geringe Flußänderung während der Rückstromkompensation ist daher bestrebt,
ein Potential in der Eingangswicklung 12 zu induzieren. In dem Ausmaß, in dem die
Sperrspannungsquelle 16 im praktischen Betrieb zwischen positiv verlaufenden Treibimpulsen
zu dem Erdpo-tentialniveau zurückkehrt, wird dieses induzierte Potential in der
Eingangswicklung 12 einen ungewünschten Stromfluß in dem Eingangsstromkreis hervorrufen,
der es erforderlich macht, eine größereVorspannungsquelle an diesen Stromkreis anzulegen.
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Die Erfindung sieht daher weitere Vorspannungsmittel vor, um solchen
ungewünschten Stromfluß in der Eingangswicklung während der Rückstromkompensation
zu verhindern. Diese weiteren Vorspannungsmittel bestehen darin, daß die Sperrspannungsquelle
16 so ausgebildet ist, daß sie auch in den Pausen zwischen den positiv verlaufenden
Treibimpulsen ein kleines positives Potential -i- El anlegt, d. h. in den Zeitspannen,
in denen ein Rückstromfluß auftreten kann und eine Rückstromkompensation stattfindet.
Das Spannungsniveau +Ei ist so gewählt, daß diese Spannung praktisch gleich groß
und von entgegengesetzter Polarität zu allen Potentialen ist, die in der Eingangswicklung
12 während der Rückstromkompensation induziert werden können, so daß ungewünschte
Stromflußänderungen durch die Rückstromkompensation in der Eingangswicklung 12 vermieden
werden.
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Das beschriebene Ausführungsbeispiel stellt nur eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung dar; viele Abwandlungen können von dem Fachmann vorgenommen werden.
Im besonderen muß man sich vor Augen halten, dai die Vorspannungsquelle des Eingangsstromkreises
und die Sperrspannungsquelle des
Eingangsstromkreises sowohl Impulse
liefern können als auch gleichmäßige Spannungen. Darüber hinaus kann die Vorspannungsquelle
des Eingangskreises nützliche Anwendung finden in magnetischen Verstärkern der verschiedensten
Typen, in denen Rückstromkompensation verwendet tvird. Im besonderen ist die Erfindung
nicht beschränkt auf Komplementsignale bildende Verstärker oder auf Verstärker der
Impulstype oder auf Verstärker der Reihentype, sondern sie kann angewendet werden
in Verbindung mit den verschiedenen zuvor erwähnten Formen von Verstärkern ebensogut
wie mit den verschiedenen Formen von Rückstromkompensatoren. Die beschriebene Ausführung
ist daher nur als Beispiel gewählt und sollte nicht als eine Beschränkung der Erfindung
angesehen werden. Alle Abwandlungen im Rahmen des erfinderischen Prinzips sollen
unter.den Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche fallen.