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Impulsübertrager mit Impulsbreitenregelung Es ist bekannt, die nichtlineare
Beziehung zwischen der magnetischen Induktion B und der magnetischen Feldstärke
H eines ferrornagnetischen Körpers für die Überlagerung von Schwingungen unterschiedlicher
Frequenz in einem magnetischen Modulator auszunutzen. Ein solcher magnetischer Modulator
besteht im Prinzip aus einem Magnetkern, auf den zwei Wicklungen zur Zuführung der
beiden Eingangsströme unterschiedlicher Frequenz und eine dritte Wicklung zur Abnahme
der Überlagerungsprodukte angeordnet sind. Die Eingangswicklungen sind dabei zweckmäßig
auf die Frequenz der zugeführten Schwingungen und die Ausgangswicklung auf die Frequenz
des gewünschten Mischproduktes abgestimmt.
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Demgegenüber befaßt sich die Erfindung mit einem Impulsübertrager
mit Impulsbreitenregelung, dem primärseitig Rechteckimpulse zugeführt und auf der
Sekundärseite Rechteckimpulse steuerbarer Impulsbreite entnommen werden können.
Für diese Zwecke werden gemäß der Erfindung durch auf zwei Magnetkernen aufgebrachte,
in Reihe gleichstromdurchflossene Steuerwicklungen Magnetflüsse erzeugt, denen Magnetflüsse,
die von einer den Magnetkernen gemeinsamen impulsdurchflossenen Primärwicklung erzeugt
werden, in dem einen Magnetkern entgegengerichtet und im anderen Magnetkern gleichgerichtet
sind. Durch Wahl des Steuergleichstromes ist der Zeitpunkt, zu dem der eine bzw.
andere Magnetkern in Sättigung geht, zwecks Regelung der Breite des von der gemeinsamen
Sekundärwicklung abgegebenen Impulses verschiebbar. Die die Steuerwicklung tragenden
Schenkel der beiden Magnetkerne sind in Weiterbildung der Erfindung gemeinsam von
der Primärwicklung und der Sekundärwicklung umschlossen.
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Gemäß einer AusführungsformderErfindung finden dreischenklige Magnetkerne
Verwendung, auf deren Mittelschenkel die Steuerwicklung angeordnet ist. Dabei ist
es vorteilhaft, für die Magnetkerne Materialien mit einer angenähert rechteckförmigen
Hysteresis zu verwenden. Die Wicklungsdaten (Windungszahl, Drahtstärke usw.) der
beiden Steuerwicklungen stimmen zweckmäßig überein, sofern auch die magnetischen
Kreise gleiche magnetische Eigenschaften aufweisen. Bei Anwendung des Impulsübertragers
gemäß der Erfindung ist es vorteilhaft, in Reihe mit der Primärwicklung einen Widerstand
in die Zuleitung zu der die Impulsspannung liefernden Signalquelle einzuschalten.
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Führt man der Primärwicklung Rechteckimpulse zu, so werden diese über
die in den beiden Magnetkernen erregten Magnetfelder in die Sekundärwicklung übertragen,
an die derVerbraucher angeschlossen ist. Entsprechend dem Übersetzungsverhältnis
zwischen Primär- und Sekundärwicklung unterscheiden sich, wenn man von der Wirkung
der Streukapazitäten, die infolge der gegenseitigen Umschließung von Sekundär- und
Primärwicklung gering ist, absieht, lediglich die Amplituden der Impulse, nicht
aber ihre Impulsbreite, sofern man unterstellt, daß die Anordnung unterhalb der
Sättigung betrieben wird. Durch den die beiden Steuerwicklungen durchfließenden
Gleichstrom wird in den beiden Magnetkernen eine gegensinnige Vormagnetisierung
hervorgerufen, so daß sich der Arbeitspunkt der Anordnung in dem einen Magnetkern
in Richtung auf den unteren und im anderen Magnetkern in Richtung auf den oberen
Sättigungsknick der Hysteresisschleife verschiebt. Sobald der Primärwicklung Impulse
zugeführt werden, gerät die Induktion des einen Kernes infolge der Gleichstromvormagnetisierung
in den Sättigungsbereich, wodurch infolge der damit verbundenen Abnahme der Permeabilität
die Induktivität der Primärwicklungen und damit deren induktiver Widerstand stark
herabgesetzt wird. Hierdurch erhöht sich der die Primärwicklung durchfließende Strom,
so daß auch der andere Magnetkern in das Sättigungsgebiet gesteuert wird, obwohl
er eine entgegengesetzte Vormagnetisierung aufweist. Sobald beide Magnetkerne gesättigt
sind, ist deren Permeabilität und damit die Kopplung zwischen Primärkreis und Sekundärkreis
so weit abgesunken, daß keine Übertragung des Primärimpulses in den Sekundärkreis
mehr erfolgt und der übertragene Impuls abgeschnitten wird. Gleichzeitig hat die
Induktivität der Primärwicklung und damit ihr
Widerstand so weit
abgenommen, daß die Spannung an derPrimärwicklung zusammenbricht, wodurch der in
die Sekundärwicklung übertragene Impuls abgeschnitten wird. Um zu vermeiden, daß
hierdurch der Ausgang der Impulsquelle kurzgeschlossen wird, ist mit der Primärwicklung
ein Begrenzungswiderstand in Reihe geschaltet. In Abhängigkeit von der Größe der
Vormagnetisierung und damit von der Größe des die Steuerwicklungen durchfließenden
Gleichstromes wird die Sättigung beider Kerne früher oder später erreicht. Je größer
der Steuergleichstrom und damit die Vormagnetisierung ist, um so eher wird sich
während des Auftretens des Impulses an der Primärwicklung der Sättigungszustand
einstellen, d. h., ein um so größerer Teil dieses Primärimpulses wird abgeschnitten
werden. Für die andere Halbwelle der Impulsspannung gilt das Entsprechende mit für
beide Magnetkerne umgekehrten Vorzeichen. Die in den Sekundärkreis übertragenen
Impulse weisen somit eine von der Größe des Gleichstromes abhängige Impulsbreite
auf.
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Die Erfindung eignet sich z. B. zur Regelung der Ausgangsspannung
eines Transistorspannungswandlers, bei dem die der Primärwicklung zugeführten Impulse
von einem in Schwingschaltung betriebenen Transistor geliefert werden, während derVerbraucher
an die Sekundärwicklung beispielsweise über eine Gleichrichterschaltung angeschlossen
ist. Über die Steuerwicklungen kann mit Hilfe eines veränderbaren Steuergleichstromes
die Impulsbreite der von der Primärseite auf die Sekundärseite übertragenen Impulse
und damit die dem Verbraucherkreis zugeführte Energie geregelt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel für die Anordnung gemäß der Erfindung ist
in Fig. 1 im Schnitt dargestellt; Fig. 2 zeigt die Anordnung gemäß der Erfindung
in Verbindung mit den zum Verständnis der Wirkungsweise erforderlichen Schaltungseinzelheiten;
in Fig. 3 ist die mit der Anordnung gemäß der Erfindung erzielbare Impulsbreitenregelung
schematisch dargestellt.
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In dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Übertragers, das
schematisch in der Fig. 1 dargestellt ist, bestehen die beiden Magnetkerne
1
und 2 aus einem Werkstoff, dessen Hysteresis einen ausgeprägten Sättigungsknick
zeigt. Die geforderten magnetischen Eigenschaften erfüllen Mu-Metall oder eine Legierung
oder ein Ferrit mit rechteckiger Hysteresis. Um den Mittelschenkel 3 des Magnetkernes
1 ist eine Wicklung 5 aus sehr dünnem Draht vorgesehen. Eine gleiche Wicklung befindet
sich auf dem Mittelschenkel 4 des Kernes 2. Die Wicklungen 5 und 6 haben die gleiche
Anzahl von Windungen aus einemDrahtbestimmtenDurchmessers. Sie sind durch den Leiter
7 derart in Reihe geschaltet, daß sie von einem Gleichstrom im entgegengesetzten
Sinne durchflossen werden. Der Eingang der Wicklung 5 ist mit S, der Ausgang der
Wicklung 6 ist mit 9 bezeichnet. Eine Primärwicklung 10 mit Anschlüssen 11 und 12
umfaßt beide Kernteile 3 und 4. Eine Sekundärwicklung 13 mit Anschlüssen
14 und 15 ist auf die Primärwicklung 10 gewickelt.
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Die Wirkungsweise des Impulsübertragers gemäß der Erfindung wird am
besten an Hand der Fig. 2 erläutert, die eine den in Fig. 1 dargestellten übertrager
enthaltende Schaltung zeigt. Der Impulsübertrager ist darin durch die Umrandung
20 hervorgehoben. Die Primärwicklung 10 des Übertragers wird von einem Generator
21 über einen Widerstand 22 mit Rechteckimpulsen gespeist. An die Sekundärwicklung
13 ist der Verbraucher 23 angeschlossen. Die Wicklung 5 entspricht der in Fig. 1
auf dem Mittelschenkel 3 des Kernes 1 angeordneten Wicklung 5. Dabei ist nur einer
der beiden Magnetkerne und nur eine Gleichstromwicklung dargestellt. Die Wicklung
5 ist mit einem Gleichstromgenerator 24 verbunden, dessenSpannung von einer beliebigenGröße
gesteuert werden kann.
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Wenn man nur die Primärwicklung 10 und die Sekundärwicklung 13 des
Übertragers betrachtet, so induzieren die vom Generator 21 in die Primärwicklung
10 eingespeisten Rechteckimpulse in der Sekundärwicklung 13 rechteckförmige Spannungen,
solange die maximale Induktion unterhalb des Sättigungsknickes bleibt.
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Der die beiden auf den Mittelschenkeln 3 und 4 befindlichen Wicklungen
5 und 6 durchfließende Gleichstrom erzeugt in jedem Kern ein Hilfsfeld. Diese beiden
Felder sind entgegengesetzt gerichtet. Während einer Halbwelle wird sich einer der
Kerne unter dem Einfluß des hinzugefügten Gleichfeldes sättigen. Der andereKern
wird sich ebenfalls sättigen, obgleich sein Gleichfeld entgegengesetzt gerichtet
ist. Da der erste Kern in diesem Moment eine Permeabilität praktisch gleich Null
hat, wird der noch zur Verfügung stehende Eisenquerschnitt halbiert und die Induktion
verdoppelt. Diese Erscheinung wiederholt sich während der anderenHalbwelle in symmetrischer
Form. Die Sättigung wird vor Ende des Rechtecksignals zu einem Zeitpunkt erreicht,
der von der Intensität des Steuergleichstromes abhängig ist. Wenn der Kern gesättigt
ist, wird der Widerstand des Primärkreises klein, und die Spannung an der Primärspule
10 des Übertragers bricht zusammen. Das Rechtecksignal wird daher vor Erreichen
seiner ursprünglichen Breite beendet, so daß man ein veränderbares Verhältnis der
Impulsbreite zur Impulspause erhält, das durch den Steuergleichstrom geändert werden
kann. Der Rechteckimpuls ist um so kürzer, je näher der Arbeitspunkt am Sättigungsknick
liegt.
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Fig. 3 A zeigt den ursprünglichen Rechteckimpuls, wenn unterhalb der
Sättigung gearbeitet wird, und Fig. 3 B den Rechteckimpuls unter der Voraussetzung,
daß die Sättigung zur Zeit t erreicht ist. Der Sekundärimpuls ist gleich dem Rechteckimpuls,
der in Fig. 3 B dargestellt ist. Die Steuerenergie ist klein im Verhältnis zur übertragenen
Energie. Es sei noch bemerkt, daß das angewandte Wicklungssystem verhindert, daß
Wechselimpulse in den Steuerkreis übertragen werden. Der erfindungsgemäße Übertrager
dient gleichzeitig zur Anpassung des Verbrauchers 23 an die Impulsquelle 21.
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Die Erfindung läßt sich in allen Frequenzbereichen, in denen die zur
Verfügung stehenden magnetischen Materialien einen Sättigungsknick aufweisen, zur
Impulsbreitenmodulation verwenden. Hierzu kann die Speisespannung eines Transistors
zwecks Änderung der Breite des einem Leistungstransistors entnommenen Signals gesteuert
werden. Führt man dieses Signal einer Gleichrichterschaltung zu, so ist deren Ausgangsspannung
der Impulsfläche proportional. Da für die Regelung selbst keinerlei bewegliche oder
empfindliche Bauelemente benötigt werden, eignet sich diese Anordnung auch für den
Einbau
in Erschütterungen und klimatischen Schwankungen ausgesetzte
Geräte.
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Bei einer Anordnung gemäß der Erfindung wurde z. B. bei Zuführung
einer Impulsfolge mit gleicher Dauer von Impuls und Impulslücke durch Steuerung
mit einem Steuergleichstrom von 1,3 mA eine Änderung des Verhältnisses von Impulsbreite
zu Impulslücke von 1:2 erzielt. Der Steuerstrom konnte bei dieser Anordnung zwischen
0,7 und 1,3 mA verändert werden. Mit einem an die Steuerwicklungen angeschlossenen
Transistorverstärker ließ sich für eine Batteriespannung von 20 bis 30V eine Regelgenauigkeit
von 0,3 % erreichen. Der Widerstand der Steuerwicklung betrug dabei 2500 Ohm, der
Platzbedarf der Anordnung 36 - 39 - 32 mm.