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Gegentaktmagnetverstärker zur Speisung eines Verbrauchers mit Gleichstrom
umkehrbarer Richtung Es ist bekannt, daß bei Gegentaktmagnetverstärkern die ohmsche
Ankopplung eines einzigen Verbrauchers mit erheblichen Leistungsverlusten in Widerständen
verbunden ist, die zum Aufbau des Ankopplungsnetzwerkes erforderlich sind. Wo eine
Aufteilung des Verbrauchers in zwei Teile, wie dies beispielsweise bei Erregerwicklungen
von Maschinen möglich ist, nicht angewendet werden kann, hat man bereits versucht,
durch Gegenspannungsquellen in Form von Batterien die Ankopplungswiderstände zu
vermeiden. Diese Gegenspannungsquellen sind jedoch im praktischen Betrieb die Ursache
immer wiederkehrender Störungen, so daß man den Leistungsverlust in den Widerständen
und die dadurch bedingte Überdimensionierung der Magnetverstärker in Kauf nehmen
mußte. Abgesehen von dem erhöhten Raumbedarf und Gewicht solcher Magnetverstärker
ist überdies in der Regel auch noch eine Erhöhung der Steuerleistung erforderlich,
obwohl dem Verbraucher nur ein Bruchteil der gesteuerten Leistung zugeführt werden
kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile der bekannten
Gegentaktmagnetverstärker zu vermeiden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Ausgang des jeweils sperrenden Teilverstärkers durch einen in Steuerabhängigkeit
vom Magnetverstärker stehenden elektronischen Schalter, insbesondere einen Halbleiterschalter,
z. B. einen Schalttransistor oder eine Schaltdiode, von der Last abgetrennt oder
überbrückt wird. Der elektronische Schalter hat beim Erfindungsgegenstand die Aufgabe,
nur den jeweils im gewünschten Sinne ausgesteuerten Teilverstärker auf den Verbraucher
einwirken zu lassen und den anderen Teilverstärker aus dem Laststromkreis auszuschließen.
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Für die Zwecke der Erfindung eignen sich insbesondere die bekannten
Schalttransistoren, die bereits heute mit beträchtlichen Durchlaßstromstärken in
der Größenordnung von mehreren Ampere und Sperrspannungen von mehreren 100 Volt
hergestellt werden können. Ein solcher Schalttransistor wird bekanntlich nur im
gesperrten oder im geöffneten Zustand betrieben. Im gesperrten Zustand ist sein
Widerstand sehr hoch, im geöffneten Zustand praktisch vernachlässigbar. Der Bereich
zwischen diesen beiden Schaltzuständen wird möglichst rasch überstrichen, um eine
unzulässige Erwärmung des Transistors zu vermeiden.
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Wesentlich ist, daß im geöffneten Zustand der Tran-sistor den
durchfließenden Strom nicht beeinflußt. Er kann demnach jeden beliebigen Wert zwischen
Null und dem maximalen Durchlaßstrom des Transistors haben, ohne daß die Verlustleistung
überschritten wird, da in allen Fällen der Spannungsabfall im Transistor verschwindend
klein ist. Von dieser Tatsache wird bei der Erfindung insofern Gebrauch gemacht,
als die Größe des vom Transistor durchgelassenen Stromes jeweils von dem in Betrieb
befindlichen Teilverstärker bestimmt wird. Man ist daher nicht, wie üblich, gezwungen.,
eine Zweipunktsteuerung des Schalttransistors anzuwenden, sondern kann mit stetiger
Aussteuerungsänderung über den Magnetverstärker arbeiten.
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Obwohl beim Erfindungsgegenstand praktisch zwei verschiedene Steuermittel
verwendet werden, die beide für die Leistung des Verbrauchers bemessen sein müssen,
erzielt man doch insgesamt eine erhebliche Verringerung des Aufwandes gegenüber
den bekannten Einrichtungen, da der Magnetverstärker nunmehr nur noch für die Leistung
des Verbrauchers ausgelegt werden muß. Der Aufwand an Raum, Preis und Gewicht für
den elektronischen Schalter ist klein im Vergleich zu den entsprechenden Ersparnissen
hinsichtlich des Magnetverstärkers. Auch entfällt die Überdimensionierung der Steuerleistung,
da der elektronische Schalter verhältnismäßig wenig Steuerenergie benötigt.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt, die im folgenden näher erläutert werden. In den Figuren sind zur Vereinfachung
alle Schaltungselemente fortgelassen, die für das Verständnis nicht unbedingt erforderlich
sind.
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In Fig. 1 sind zwei Magnetverstärker 1 und 2 in Einphasenbrückenschaltung
dargestellt, die als Gegentaktverstärker einen Gleichstromverbraucher 3 in Form
des Ankers eines Gleichstrommotors speisen. Der Motor kann eine feste Erregung über
eine Wicklung 4 aufweisen.
Zur Steuerung der beiden Teilverstärker
1 und 2 ist ein gemeinsamer Steuerkreis mit Wicklungen 5 und 6 vorgesehen, der an
eine Steuerstromquelle umkehrbarer Polarität über die Klemmen 7 und B. angeschlossen
ist. Die Magnetverstärker können ferner mit weiteren Wicklungen für Vormagnetisierungs-und
Rückkopplungszwecke in bekannter Weise ausgerüstet sein.
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Die Ausgangsklemmen ungleicher Polarität der beiden Teilverstärker
sind durch Leistungen 9, 10 miteinander verbunden. In der Leitung 9 ist die Reihenschaltung
zweier Transistoren 11, 12 angeordnet, und der Verbraucher ist zwischen den gemeinsamen
Punkt beider Transistoren und die andere Verbindungsleitung 10 angeschlossen. Es
ist vorteilhaft, Transistoren verschiedenen Leitfähigkeitstyps zu verwenden, da
in diesem Fall die Emitter der beiden Transistoren miteinander verbunden werden
können.
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Die Steuerung der Transistoren erfolgt in Abhängigkeit vom Steuerstrom
des Magnetverstärkers, beispielsweise indem über einen Widerstand 13 im Steuerstromkreis
entsprechende Signale für die Basiselektroden der beiden Transistoren abgenommen
werden. Es ist dafür zu sorgen, daß diese Signale schon bei kleinem Steuerstrom
zur vollen Öffnung bzw. Sperrung der Transistoren ausreichen, und andererseits bei
vollem Steuerstrom den Transistor nicht überlasten. Dies kann z. B. durch Widerstände
13 mit nichtlinearer Stromspannungskennlinie erreicht werden. Da die Transistoren
eine wesentlich geringere Ansprechzeit als die Magnetverstärker haben, kann es vorteilhaft
sein, eine Verzögerung für ihre Steuerung vorzusehen, die etwa der Ansprechzeit
des Magnetverstärkers entspricht. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise parallel
zum Widerstand 13 einen Kondensator 14 legen.
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Die Wirkungsweise dieser Anordnung ergibt sich wie folgt. Je nach
der Richtung des Steuerstromes liefert entweder der eine oder der andere Magnetverstärker
eine Ausgangsgleichspannung, die dem Verbraucher 3 zuzuführen ist. Zu diesem Zweck
wird der entsprechende Schalttransistor geöffnet, während der dem anderen Teilverstärker
zugeordnete Transistor gesperrt wird. Damit ist ein Kurzschluß der Ausgangsspannung
des einen Teilverstärkers über den anderen Teilverstärker vermieden, und die Gesamtanordnung
arbeitet praktisch so, als wäre nur ein Verstärker vorhanden, der eine Ausgangsgröße
der jeweils gewünschten Richtung abgibt. Es kann aber auch der Ausgangsstrom des
einen Teilverstärkers dazu benutzt werden, den dem anderen Teilverstärker zugeordneten
Transistor zu speisen, während der eigene Transistor durch einen geringen Grundstrom
geöffnet ist. Beim schnellen Herabsteuern des Magnetverstärkers kann bei der Schaltung
nach Fig. 1 die Motorspannung größer sein als die speisende Magnetverstärkerspannung,
so daß sich der Motorstrom umzukehren und der Motor elektrisch zu bremsen trachtet.
Tedoch ist der Weg für die andere Stromrichtung durch den anderen Transistor noch
gesperrt. Es ist dann zweckmäßig, die Steuerung der Transistoren vorn Motorstrom
abhängig zu machen, z. B. in der Weise, daß der vorher gesperrte Transistor geöffnet
wird, sobald der Motorstrom durch Null geht. Es kann der Spannungsabfall an einem
Nebenwiderstand im Motorkreis über Hilfstransistoren oder einen Umkehrtransformator
zusätzlich auf die Transistoren wirken.
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Ein Beispiel solcher Schaltung zeigt Fig. 2 in Ergänzung der Fig.
1. Der Widerstand im Motorkreis ist mit 19 bezeichnet. Durch je einen Widerstand
15, 16 parallel zu den Hilfstransistoren 17, 18 erreicht man, daß beim Motorstrom
Null und kleinen Magnetverstärkerströinen beide Haupttransistoren geöffnet sind,
so daß sich der Motorstrom dann auch bei sehr gut sperrenden Magnetverstärkergleichrichtern
in umgekehrter Richtung ausbilden kann. Diese Schaltung bewirkt auch, daß Induktivitäten
des Laststromkreises keine Überspannungen an den Transistoren erzeugen können.
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Fig. 3 zeigt eine andere Möglichkeit zur Anordnung der elektronischen
Schalter gemäß der Erfindung. Entsprechende Schaltungselemente sind mit den gleichen
Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. Der wesentliche Unterschied gegenüber der
Anordnung nach Fig. 1 besteht darin, daß die Transistoren 10 und 11, die in diesem
Fall von gleichem Leitfähigkeitstyp sein können, den Ausgangsklemmen der beiden
Teilverstärker parallelgeschaltet sind. Ist beispielsweise bei einer bestimmten
Richtung des Steuerstromes der Teilverstärker 1 wirksam, so wird der Schalttransistor
11 gesperrt, um einen Kurzschluß des Teilverstärkers zu verhindern, und der Transistor
12 geöffnet, um einen Überbrückungsstromweg parallel zum Teilverstärker 2 zu schaffen.
Umgekehrte Verhältnisse liegen bei der anderen Richtung des Magnetv erstärkersteuerstromes
vor. Auch bei der Anordnung nach Fig. 3 kann eine Verzögerung der Transistorsteuerung
vorgesehen sein oder diese vom Ausgangsstrom der Magnetverstärker oder vom Strom
durch die Last abhängig sein.
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Statt der Transistoren können auch andere elektronische Schalter verwendet
werden, die imstande sind, die dem Verbraucher zugeführte Leistung zu beherrschen.
Beispielsweise sind die bekannten Schaltdioden oder Schalttrioden verwendbar, wenn
dafür gesorgt wird, daß die einmal gezündete Schaltdiode bei Umkehr der Richtung
des Magnetverstärkersteuerstromes oder des Laststromes in geeigneter Weise gelöscht
wird.
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Die Steuerung von Schalttrioden kann zum Beispiel bei einer Anordnung
ähnlich Fig. 3 vorgenommen werden. Die erforderlichen Abwandlungen sind in Fig.
4 angedeutet. Die Magnetverstärker erhalten eine Kennlinie nach Fig. 5. Dabei entsteht
beim langsamen Umsteuern eine stromlose Pause, in der die Schalttriode 20 bzw. 21
von selbst sperrend wird. Beim schnellen Umsteuern kehrt die Motor-EMK den Strom
in der vorher gezündeten Schalttriode um, wobei sie ebenfalls sperrt. Es ist also
nur noch notwendig, sie zu zünden, sobald der andere Magnetverstärker Spannung abgibt,
was durch die in Fig. 4 angedeutete Schaltverbindung über Kreuz erreichbar ist.
Es kann auch noch ein Zwischenverstärker oder ein Impulstransformator mit Rechteckschleifenkern
zwischengeschaltet werden.
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Die spezielle Ausbildung der Magnetverstärker ist für die Erfindung
uriwesentlich. Statt der dargestellten einsphasigen Brückenschaltung können auch
die bekannten Dreiphasenschaltungen verwendet werden.