DE1065468B - Richtungsempfindlicher Magnetverstärker - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Magnetische Verstärker bestehen im wesentlichen aus Wechselstromdrosseln, welche, mit einem steuernden Gleichstrom vormagnetisiert, ihre Induktivitäten verändern. Sie vermögen daher, mit einer Wechselstromquelle in Reihe oder Brücke geschaltet, an den Verbraucher einen dem Steuerstrom proportionalen verstärkten Arbeitswechselstrom abzugeben.

Bei der Anwendung dieses Prinzips für sehr kleine ■Verstärker, wie sie z. B. als Vorverstärker, als Meßwertwandler oder zur Nachsteuerung hochempfindlicher Nullmotoren in der Meß- und Regeltechnik gebraucht werden, läßt sich mit den bisher bekannten Anordnungen — obwohl nur einige Milliwatt maximale Ausgangsleistung gefordert werden — eine gewisse Baugröße der Drosseln nicht unterschreiten, wenn nicht ein starkes Absinken des Verstärkungsgrades in Kauf genommen werden soll.

Andererseits müssen derartige kleine Verstärker ihrem Verwendungszweck entsprechend eine besonders gute Stabilität des Nullpunktes gewährleisten. Auch wenn die selbstsättigende Schaltung mit ihrer Neigung zur Vergrößerung der Nullpunktunsicherheit vermieden und mit Fremderregung in stromsteuernder Schaltung gearbeitet wird, bereitet dies meist

Richtungsempfindlicher Magnetverstärker

Anmelder:

Franz Meier, Berlin-Britz, Jahnstr. 68-72,

Erich Zachariä, Berlin-Zehlendorf, Argentinische Allee 208,

und Kurt Oelsch, Berlin-Zehlendorf, Glockenstr. 4

Franz Meier, Berlin-Britz,

Erich Zachariä und Kurt Oelsch, Berlin-Zehlendorf, sind als Erfinder genannt worden

wendeten magnetischen Kernmaterials abhängig ist, wird ein Magnetverstärker vorgeschlagen, bei welchem der gesamte Wickelraum jeder Drossel erfindungs-

Verstärker sind deshalb bisher für diese Aufgaben kaum geeignet.

Es besteht daher ein technisches Bedürfnis nach

einer Magnetverstärkeranordnung, die bei kleiner Schwierigkeiten, weil selbst bei sorgfältigem elek- 25 Ausgangsleistung, aber guter Leistungsverstärkung trischem und magnetischem Abgleich paarweiser eine kleinere und weniger aufwendige Bauweise er-Drosseln — sogar bei Stabilisierung der Wechsel- laubt und auf niedrigem Leistungspegel eine bessere Spannungsquelle — immer ein Restfehler verbleibt, Nullpunktsicherheit gewährleistet als die bisher beder durch Temperaturabhängigkeit, Magnetostriktion, kannten Schaltungen.

Remanenz usw. des Kernes zustande kommt und der 30 Ausgehend von der Überlegung, daß die Nullpunktauch bei ausgesuchtem hochpermeablem Material nicht Unsicherheit im wesentlichen von der Menge des verausbleibt.

Eine Doppelausnutzung einer Wicklung für zwei oder mehrere Funktionen verringert Baugröße und

Aufwand. Beim selbstsättigenden Magnetverstärker 35 gemäß gleichzeitig als Arbeitswicklung, als Vordient oft die Arbeitsstromwicklung gleichzeitig der magnetisierungswicklung und als Steuerwicklung in Rückkopplung. Weiter sind Anordnungen bekannt- Aktion tritt. Im Vergleich mit den bisher üblichen geworden, in welchen die Arbeitsstromwicklung zu- Magnetverstärkeranordnungen wird hierdurch der sätzlich auch noch als Steuerstromwicklung ausge- Energieaufwand zur Deckung ohmscher Spulenvernutzt wird. Bei Trennung der einzelnen Stromkreise 40 luste in allen drei Funktionen stark herabgesetzt, so durch entgegengesetzt gepolte Richtleiter erhält man daß sich mit kleinen Drosseln, die nunmehr einen so einen leistungsfähigen Magnetverstärker sehr ein- Bruchteil der früher erforderlichen Kernblechmenge fachen Aufbaues. enthalten, noch ausreichende Induktivität und Vcr-

Bei all diesen bekannten Anordnungen handelt es Stärkerwirkung erzielen lassen. Erfindungsgetnäß solsich aber um selbstsättigende Magnetverstärker 45 len deshalb vier Verstärkerdrosseln, die je zwei größerer Ausgangsleistung, für welche die Frage der gleiche Wicklungen tragen, mit diesen ihren acht Nullpunktsicherheit von untergeordneter Bedeutung Wicklungen und den vier untereinander gleichen Seist. Ganz andere Forderungen müssen erfüllt werden, kundärwicklungen eines Speisetransformators so in wenn es sich um auf niedrigem Leistungspegel vier Doppelbrücken geschaltet werden, daß arbeitende Magnetverstärker für Meß- oder Regel- 50 erstens aus jeweils einer Wicklung der vier Verzwecke handelt. Hier entscheidet die Nullpunkt- stärkerdrosseln und jeweils zwei symmetrisch

Sicherheit, über die Anwendbarkeit des Magnet- phasenrichtig eingeschalteten Wicklungen des

Verstärkers und rangiert vor der wirtschaftlichen Speisetransformators zwei gleiche symmetrische

Forderung nach kleinem Aufwand. Selbstsättigende Vollbrücken für den Arbeitswechselstrom gebildet

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werden, in welchen durch entsprechende Zuordnung des Windungssinns der Verstärkerdrosselwicklungen und der Phasenlage des speisenden Wechselstromes eine Summation des Wechselflusses in den vier Kernen der Verstärkerdrosseln erfolgt, daß zweitens

die gleichen Wicklungen auf den Verstärkerdrosseln und dem Speisetransformator für den Vormagnetisierungsstrom zwei gleiche symmetrische Vollbrücken bilden, indem dieser Vormagnetisierungsstrom in die Verbindungspunkte von je zwei unmittelbar miteinander verbundenen Wicklungen von benachbarten A^erstärkerdrosseln eingespeist wird und dabei die Polarität so gewählt wird, daß auch der Vormagnetisierungsfluß in den Kernen sich für die beiden parallel liegenden Brücken summiert, aber dabei in den Kernen zweier in der Arbeitsstrombrücken schaltung nebeneinander liegender Verstärkerdrosseln der einen und in den beiden anderen Kernen der entgegengesetzten Halbwelle des Wechselflusses gleichgerichtet ist. und daß drittens

aus wieder den gleichen Wicklungen auf den Verstärkerdrosseln und dem Speisetransformator in Verbindung mit zwei mittelangezapften Primärwicklungen auf dem Ausgangstransformator finden Steuerstrom, welcher über die Mittenanzapfungen dieser Primärwicklungen eingespeist wird, zwei parallel geschaltete Brücken gebildet sind, durch deren Zweige der Steuerstrom so fließt, daß in den Kernen zweier in der Arbeitsstrombrückenschaltung einander diametral gegenüberliegender Drosseln der Steuerfluß der einen Halbwelle des Wechselflusses und in den Kernen der beiden anderen Drosseln der anderen Halbwelle des Wechselflusses gleichläuft, und daß letztlich
infolge der durch Einschaltung eines Kondensators in den Lastkreis des Ausgangsübertragers vorgenommenen Phasendrehung diese Steuerstrombrücke gleichzeitig für die Rückkopplung benutzt wird.

Die Zeichnung zeigt in einem Schaltbild ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In dieser Schaltung ist jede der vier Drosseln (I, II, III und IV) mit je zwei Spulen gezeichnet, die aus Gründen der Herstellung (lange Rechteckkerne mit verbreitertem Joch) und aus Kompensierungsgründen den Wickelraum zweiteilen; jedoch dienen beide ohne Unterschied den drei obengenannten Funktionen und unterstützen sich in ihrer elektromagnetischen Wirkung.

Diese vier Verstärkerdrosseln sind mit ihren acht Spulen in dreifacher Weise brückengeschaltet. Sie werden mit Wechselstrom über einen Transformator gespeist, dem die Netzspannung an der Wicklung A zugeführt wird. Die Sekundärwicklungen B, C, D, E liefern vier gleich große Spannungen von abwechselnd vertauschter Phasenlage, entsprechend den Bezeichnungen α und b an den Enden dieser Wicklungen, die je eine Mittelanzapfung W₁ x, y, s besitzen.

Man erkennt im Schaltbild zunächst zwei einander gleiche, symmetrische Vollbrücken für den Arbeitswechselstrom. Der eine Brückenkreis besteht aus den Transformatorwicklungen C und D und den Drosselspulen I₁, H₁, HI₁ und IV₁, der andere Kreis dagegen aus den Transformatorwicklungen B und E und den Drosselspulen I₂, H₂, III., und IV₂. Die Brückennullpunkte w, x, \, s sind paarweise an einen Übertrager Ü mit den gegenläufigen Wicklungen 3 und 4 geführt. Normalerweise, d. h. ohne Beaufschlagung von Steuergleichstrom, sind die vier Drosseln abgeglichen und die beiden Arbeitsstrombrückenkreise im Gleichgewicht, so daß an den Übertragerwicklungen 3 und 4 keine Wechselspannungen auftreten.

Die Gleichstromvormagnetisierung der Drosseln, die beim Magnetverstärker in bekannter Weise dazu dient, das Kernmaterial in die Nähe der magnetischen Sättigung zu bringen, wird von dem Gleichrichter G abgegeben. Er wird mit Wechselstrom von der Transformatorwicklung F gespeist. Der Gleichstrom verzweigt sich an den wechselstromfreien Brückenschaltungspunkten c und d. Er verteilt sich gleichmäßig auf alle acht Spulen der Drosselkerne in der Weise, daß bezüglich Drosselpaar I und II (desgleichen III und IV) einmal in Drossel I durch die Vormagnetisierung die positive Phase des vom Arbeitsstrom hervorgerufenen Wechselflusses, dagegen in Drossel II die negative Phase unterstützt wird. In jedem der vier Brückenzweige liegen dann immer zwei Spulen in Serie (z. B. I₁ und H₁), welche sich bezüglich der in den Spulen entstehenden Strom- und Spannungsverzerrungen paarweise ergänzen und so einen sym- metrischen Zeitablauf der Arbeitswechselströme herbeiführen.

Der Steuergleichstrom für den Verstärker wird von den Schaltungspunkten e und / aus den Mittelanzapfungen der Wicklungen 3 und 4 des Übertragers C zugeleitet und verzweigt sich von hier aus auf alle acht Wicklungen der Drosselspulen. Auch hierfür wird durch die Schaltung wieder eine Brücke gebildet, in welcher die Punkte e und f frei sind sowohl von Vormagnetisierungsgleichstrom als auch von Arbeitswechselstrom (von geringen Oberwellen abgesehen). Dabei treten alle acht Spulen mit richtigen Vorzeichen voll in den Dienst der Steuerstrommagnetisierung.

Der Kondensator Ä'_t dient der Fernhaltung rest-1 icher Oberwellen vom Steuerstromeingang des Verstärkers sowie einem verbesserten Wechselstromschluß in der Diagonale der beiden Arbeitsstrombrückenkreise.

Die vorzeichenrichtige Überlagerung der von den verschiedenen Strömen hervorgerufenen Magnetflüsse in den vier Drosselkernen ist im Schaltbild durch eingezeichnete Pfeile veranschaulicht.
Es bedeutet

Pfeilschaft in Schlangenlinie = Wechselstrommagnetisierung Pfeilschaft stark gezeichnet = Gleichstromvormagnetisierung Pfeilschaft dünn gezeichnet = Steuergleichstrommagnetisierung

Hieraus ist beispielsweise zu ersehen, wie bei positivem Steuerstrom die Induktivitäten der Drosseln I und II vergrößert werden, dagegen die Induktivitäten der Drosseln III und IV abnehmen. Es werden also beide Arbeitsstrombrückenkreise paarweise aus der Abgleichlage gebracht, wodurch die Transformatormittelanzapfungen w, ζ und x, y Wechselspannung erhalten, und zwar — gemäß der Wechselstromspeisung dieser Brückenkreise — von einander entgegengesetzter Phasenlage. Der gegenläufige Windungssinn der Übertragerwicklungen 3 und 4 addiert beide Wirkungen und überträgt sie durch die Wicklung 5 an den Verbraucherwiderstand R. Dieser kann z. B. durch einen Ferrarismotor gebildet werden oder aber

Claims (4)

in bekannter Weise durch einen über phasengesteuerte Gleichrichter angeschlossenen Gleichst rom verbraucher. Der Kondensator /C2 hat die Aufgabe, die Phasenlage des an den Brückenpunkten τν, ζ und x, y abgenommenen und an der Übertragerwicklung 5 austretenden Arbeitswechselstromes zu drehen und diesen durch Resonanzabstimmung zu erhöhen, wodurch zusätzliche Wechselstrommagnetisierungen in den Drosseln auftreten. Diese wirken in jeder der Drosseln mit den gleichen Vorzeichen induktivitätsändernd wie der jeweilige Steuergleichstrom, Es handelt sich um eine Rückkopplung — infolge magnetischer Richtwirkung in den Kernen hervorgerufen —, die sich durch Verändern von K2 bzw. auch durch die Bemessung von R nach Bedarf regulieren läßt, so daß der Leistungsverstärkungsgrad der Anordnung weitgehend erhöht und festgelegt werden kann, gegebenenfalls bis dicht an die Stabilitätsgrenze. Durch die Anordnung von jeweils zwei getrennten Spulenwicklungen auf ein und demselben Drosselkern verbessert sich aber eine andere, bisher nicht erwähnte Eigenschaft des Magnetverstärkers in besonderer Weise. Die beiden Spulen liegen zwar — galvanisch gesehen — in verschiedenen Arbeitsstromkreisen, sind aber magnetisch durch den gemeinsamen Drosselkern gekoppelt. Weichen nun die magnetischen Eigenschaften eines Drosselkernes (z. B. Permeabilitätsverlauf und Sättigung) von denen der anderen Kerne etwas ab, so wirkt sich ein solcher Fehler in beiden Arbeitsstromkreisen im gleichen Sinne aus und gleicht sich an den Wicklungen 3 und 4 des Übertragers aus. Gegenüber den bisher bekannten Magnetverstärkern kann man daher hier auf sorgfältigen magnetischen Abgleich der Drosseln verzichten. Ferner spielt das Einhalten eines exakten magnetischen Arbeitspunktes nunmehr eine untergeordnete Rolle. Wenn die ohmschen Anteile der Spulen und die spannungssymmetrischen Transformatorwicklungen abgeglichen sind, so läßt sich die Bctriebswechselspannung in sehr weiten Grenzen ändern, desgleichen die Stärke des Vormagnetisierungsstromes, ohne daß der Nullpunkt der Anordnung auswandert. Aus den gleichen Gründen entfallen weitgehend Temperatur- und Fremdfeldeinflus.se. Zusammengefaßt bietet die Schaltung zunächst den Vorteil, den gesamten zur Verfügung stehenden Wickelraum der Drosseln in vollem Umfang gleichzeitig für jede der verschiedenen, maßgeblichen Beaufschlagungen (Arbeitswechselstrom, Vormagnetisierungsstrom, Steuerstrom und gegebenenfalls Rückkopplungsstrom) ausnutzen zu können. Man kommt daher mit viel kleineren Drosselkernen aus, was zunächst den absoluten, an die Menge des Kernmaterials gebundenen Nullpunktfehler absenkt. Hiervon abgesehen sind Einsparungen auch deshalb erwünscht, weil die Kosten für magnetisch hochwertiges Kernblech einen erheblichen Anteil der Gesamtherstellungskosten beim Kleinverstärker ausmachet!. Weiterhin ergibt sich herstellungstechnisch die Vereinfachung, alle Spulen einander gleich und einheitlieh zu fertigen. Zufolge der Doppelspulenanordnung auf jeder Drossel kompensieren sich magnetische Unsymmetrien der Kerne und Fremdfeldeinflüsse weitgehend. Der Nullpunktfehler ist so gering, daß auf eine Stabilisierung der Betriebswechselspannung verziehtet werden kann. Eine regelbare Rückkopplung erlaubt den Leistungsverstärkungsgrad sehr hoch zu treiben, ohne daß, wie bei den früheren Anordnungen, besondere Gleichstromrückkopplungsspulen vorgesehen werden müssen. PaT ENTAXS IT, CCH IL ■

1. Richtungsempfindlicher Magnetverstärker in stromsteuernder Schaltung mit zwei Drosselpaaren, insbesondere ein solcher großer Nullpunktstabilität für Meß- und Regelzwecke, dadurch gekennzeichnet, daß vier Verstärkerdrosseln, die je zwei gleiche Wicklungen tragen, mit diesen ihren acht Wicklungen und den vier untereinander gleichen Sekundärwicklungen eines Speisetransformators so in vier Doppelbrücken geschaltet sind, daß

erstens aus jeweils einer Wicklung der vier Verstärkerdrosseln und jeweils zwei symmetrisch phasenrichtig eingeschalteten Wicklungen des Speisetransformators zwei gleiche symmetrische Vollbrücken für den Arbeitswechselstrom gebildet werden, in welchen durch entsprechende Zuordnung des Windungssinns der Verstärkerdrosselwicklungen und der Phasenlage des speisenden Wechselstromes eine Summation des Wechselrlusses in den vier Kernen der Verstärkerdrosseln erfolgt, daß
zweitens die gleichen Wicklungen auf den Verstärkerdrosseln und dem Speisetransformator für den Vormagnetisierungsstrom zwei gleiche symmetrische Vollbrücken bilden, indem dieser Vormagnetisierungsstrom in die Verbindungspunkte von je zwei unmittelbar miteinander verbundenen Wicklungen von benachbarten Verstärkerdrosseln eingespeist ist und dabei die Polarität so gewählt wird, daß auch der Vormagnetisierungsfluß in den Kernen sich für die beiden parallel liegenden Brücken summiert, aber dabei in den Kernen zweier in der Arbeitsstrombrückenschaltung nebeneinanderliegender Verstärkerdrosseln der einen und in den beiden anderen Kernen der entgegengesetzten Halbwelle des Wechselflusses gleichgerichtet ist, und daß

drittens aus wieder den gleichen Wicklungen auf den Verstärkerdrosseln und dem Speisetransformator in Verbindung mit zwei mittelangezapften Primärwicklungen auf dem Ausgangstransformator für den Steuerstrom, welcher über die Mittenanzapfungen dieser Primärwicklungen eingespeist wird, zwei parallel geschaltete Brücken gebildet sind, durch deren Zweige der Steuerstrom so fließt, daß in den Kernen zweier in der Arbeitsstrombrückenschaltung einander diametral gegenüberliegender Drosseln der Steuerfluß der einen Halbwelle des Wechselflusses und in den Kernen der beiden anderen Drosseln der anderen Halbwelle des Wechselflusses gleichläuft, und daß letztlich infolge der durch Einschaltung eines Kondensators in den Lastkreis des Ausgangsübertragers vorgenommenen Phasendrehung diese Steuerstrombrücke gleichzeitig für die Rückkopplung benutzt ist.

2. Magnetverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei paarweiser Anordnung der Drosselwicklungen in zwei verschiedenen symmetrisch und gegenphasig mit Arbeitswechselstrom gespeisten Vollbrücken der Vormagnetisierungsgleichstrom den beiden Brücken, über deren wechselstromfreie Brückenschaltungspunkte derart zugeführt ist, daß er sich gleichmäßig auf alle acht Spulen verteilt und daß die Nullpunkte beider Brücken paarweise an zwei gegenläufige Ausgangsübertragerwicklungen mit Mittelanzapfungen

geführt sind, über welche den Brücken so der Steuerstrom zugeleitet ist, daß dieser sich auf alle acht Wicklungen verzweigt, so daß Arbeitswechselstrom, Vormagnetisierungsstrom und Steuerstrom symmetrisch die einzelnen Wicklungen durchfließen und etwaige Ungleichmäßigkeiten in den magnetischen oder elektrischen Eigenschaften der Drosseln infolge des gegenphasigen Stromflusses durch die Ausgangsübertragerwicklungen unwirksam bleiben.

3. Magnetverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Rückkopplung ein Kondensator mit der Ausgangswicklung des Ausgangsübertragers, welche zur weiteren Verringerung der Verluste auch in Gestalt einer Differentialdrossel mit der Eingangswicklung identisch sein kann, in Reihe geschaltet oder zu dieser parallel gelegt ist.

4. Magnetverstärker nach Anspruch -3, gekennzeichnet durch einen Speisetransformator mit vier gleich große Spannungen von abwechselnd vertauschter Phasenlage liefernden Sekundärwicklungen und mit einer weiteren Sekundärwicklung für die Erzeugung eines Vormagnetisierungsgleichstroms mittels eines nachgeschalteten Gleichrichters.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Zeitschrift »Funk-Technik«, Nr. 19/1953, S. 628 bis 629;

Zeitschrift »Regelungstechnik«, H. 2/1955, S. 28 bis 36, insbesondere Bild 12 und 13;

Zeitschrift »ETZ-A«, H. 22/1954, S. 753 bis 759, insbesondere S. 755;

Zeitschrift »Elektronik«, Nr. 8/1953, S. 61 bis 63, Beilage zur Zeitschrift »Funkschau«, H. 23/1953.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

® 90S 628/275 9.59