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Magnetischer Verstärker nach dem Prinzip der Frequenzverdoppelung
Die Erfindung bezieht sich auf einen magnetischen Verstärker, der nach dem Prinzip
der Frequenzverdoppelung arbeitet, mit offenem, ferromagnetischem Kern (Magnetometer)
oder mit geschlossenem und dann mit einer Eingangswicklung versehenem ferromagnetischem
Kern (Magnetmodulator), welcher durch zwei Hilfswicklungen mit einem Hilfsstrom
der Frequenz F bis in den nichtlinearen Teil der Magnetisierungskennlinie ausgesteuert
wird, und welcher weiter eine Auskoppelwicklung trägt, an der in Abhängigkeit vom
vor dem Luftspalt liegenden Magnetfeld erzeugten oder vom durch die Eingangswicklung
erzeugten Steuerfluß die Frequenz 2 F auftritt und einer besonders hohen Verstärkung
des Steuerflusses entspricht.
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Magnetische Verstärker sind bekannt. Sie benutzen eine Drossel oder
eine Kombination von Drosseln mit ferromagnetischem Kern, deren Induktivität durch
eine vom Eingangssignal abhängige Vormagnetisierung geändert wird und deren Induktivitätsänderungen
zur Steuerung eines Speisestromes benutzt werden. Am Ausgang treten wegen der nichtlinearen
Magnetisierungsverhältnisse und wegen der überlagerung von Gleich- und Wechsehnagnetisierung
Oberwellen auf. Bei einem Haupttyp der Magnetverstärker wird die Grundfrequenz des
Speisestromes zur Speisung der Last am Ausgang benutzt und die Oberwellen werden
nicht gebraucht; bei einem anderen Typ wird die 2. Harmonische des Speisestromes
am Ausgang benutzt. Magnetverstärker des letzten Typs haben sich besonders günstig
und von hoher Stabilität erwiesen bei der Verstärkung sehr kleiner Gleichspannungs-
oder im Verhältnis zur Hilfsspannung langsam wechselnder Signale. Die Magnetverstärker
werden in solchen Anordnungen mit geschlossenem magnetischem Kreis (z. B. als Magnetmodulatoren)
oder mit offenem magnetischem Kreis (z. B. als Magnetometer und z. B. mit Luftspalten
von einigen tausendstel Millimetern bis 1 mm) verwendet. Solche Anordnungen sind
bekannt und werden z. B. in dem Buch von Geyger, » Magnetic-ampliier Circuits«,
Kapitel 16, gezeigt. Im deutschen Patent 815 200 wird auch eine Anordnung gezeigt,
durch Nutzung einer permeabilitätsabhängigen Resonanzwiderstandsänderung die Empfindlichkeit
solcher Verstärker zu erhöhen.
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Die bekannten Anordnungen haben den Nachteil, daß neben der gewünschten
2. Harmonischen auch höhere Oberwellen am Ausgang entstehen, die gerade bei nach
Null gehenden Eingangssignalen und damit auch am Ausgang verschwindender 2. Harmonischer
ein störendes und daher unerwünschtes Ausgangssignal erzeugen. Es sind also Filter
nötig. Zur Erhöhung der Verstärkung durch Rückkopplung auf ein Gleichspannungseingangssignal
sind weiterhin Gleichrichter nötig. Ebenso müssen bei Ankopplung weiterer Magnetverstärkerstufen
Filter und Gleichrichter eingesetzt werden. Neben dem Nachteil des Aufwandes sind
hier auch in den meist niederohmigen Schaltungen die störenden Gleichrichterwiderstände
hinderlich. Durch den Erfindungsgegenstand ist die technische Aufgabe gelöst, mit
geringfügigen Mitteln nicht nur diese Nachteile zu vermeiden, sondern auch eine
einfache Anordnung sehr hoher Verstärkung zu schaffen. Er ist erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, daß die Auskoppelwicklung mittels einer Kapazität auf die Frequenz
2F der ersten Oberwelle der Hilfsfrequenz F abgestimmt ist und daß die Anordnung
des magnetischen Kreises so getroffen ist, daß der aus der überlagerung der Flüsse
des Resonanzstromes der Frequenz 2 F im Auskoppelkreis, und des Hilfsstromes der
Frequenz F resultierende Gleichfluß die Wirkung des Steuerflusses verstärkt. In
Fig. 1 ist ein magnetischer Verstärker gemäß der Erfindung dargestellt; in Fig.2
ist die Verkoppelung der einzelnen Stufen eines mehrstufigen Verstärkers gezeigt;
Fig. 3 erläutert die magnetischen Flüsse.
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Der in Fig. 1 gezeigte Verstärker entspricht z. B., und zwar in Kern
und Wicklungen, also ohne Kondensator 6 und Widerstand 7, bekannten Anordnungen,
deren Funktion jedoch zum Verständnis der Erfindung nochmals erläutert sei. Der
Magnetverstärker besteht zunächst aus zwei teilweise miteinander verkoppelten magnetischen
Kreisen 1 .und 2. Das Eingangssignal wird über die Eingangswicklung
4, die mit beiden Magnetkreisen 1 und 2 verkettet ist, dem
Verstärker
zugeführt. Grundsätzlich ist auch eine andere Einspeisung
des zu verstärkenden Signals möglich. So kann z. B. das Eingangssignal als magnetischer
Fluß über einen Luftspalt eingespeist werden, wie dies bei Hörköpfen in der Magnettontechnik
üblich ist. Fig. 2 zeigt das. Ausführungsbeispiel eines mehrstufigen magnetischen
Verstärkers gemäß der Erfindung, wo in der ersten Verstärkerstufe der Signalfluß
mittels des Luftspaltes 16 von einem Magnetogramm 17 in den magnetischen Kreis eingespeist
wird. Der Luftspalt ist dabei ohne Einfluß auf die Arbeitsweise des magnetischen
Verstärkers. Die Auskoppelwicklung- ist ebenfalls mit beiden magnetischen Kreisen
1 und 2 verkettet. Über die Wicklungen 3 a und 3 b wird dem magnetischen Verstärker
ein Hilfsstrom zugeführt, wobei die Wicklung 3 a nur -mit dem magnetischen
Kreis 2 und die Wicklung 3 b nur mit dem magnetischen Kreis 1 verkettet ist.
Die beiden einander gleichen Wicklungen 3 a und 3 b sind in der Weise hintereinandergeschaltet,
daß die durch den Hilfsstrom erzeugten Magnetflüsse in den Magnetkreisen 1 und
2 einander entgegengerichtet sind und weder in der Eingangswicklung 1 noch
in der Auskoppelwicklung 2 eine Spannung induzieren.
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Die Größe des Hilfsstromes durch die Wicklungen 3 a und
3 b wird so bemessen, daß der mit der Wicklung 3a bewickelte Teil des magnetischen
Kreises 1 und der mit der Wicklung 3 b bewickelte magnetische Teil des Kreises 2
so hoch ausgesteuert werden, daß den magnetischen Kreis bildende ferromägnetische
Material gesättigt wird. Überlagert man den beiden magnetischen Kreisen 1 und 2
einen Signalfluß, indem man beispielsweise durch die Eingangswicklung4 einen Signalstrom
schickt, so wird dieser Signalfluß im Rhythmus der Frequenz F des Hilfsstromes zerhackt,
da der von den Wicklungen 3 a und 3 b umschlungene Teil des magnetischen
Kreises infolge der Aussteuerung bis in die Sättigung periodisch seine magnetische
Leitfähigkeit ändert. Da der magnetische Fluß proportional der magnetischen Leitfähigkeit
des magnetischen Kreises ist, wird in der Auskoppelwicklung 5 eine Spannung
induziert; die dem Signalfluß proportional ist und die doppelte Frequenz 2F des
Hilfsstromes, der durch die Wicklungen 3 a und 3 b fließt, hat. Die doppelte Frequenz
tritt deswegen auf, weil sowohl während der positiven als auch während der negativen
Halbwelle das ferromagnetische Material bis in die Sättigung ausgesteuert wird.
Neben der Frequenz 2F treten noch Oberwellen höherer Ordnung auf, jedoch sind deren
Amplituden ; kleiner.
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In Fig:3 sind die magnetischen Flüsse durch die Kernteile 1 und 2
gezeigt. Die Kurve 8 zeigt den durch die Sättigungsgrenze 9 begrenzten Fluß im Kernteil
1, der durch die Hilfsfrequenz erzeugt ist. Die Kurve 10
zeigt den entsprechenden
Fluß im Kernteil 2, die Kurve 11 stellt die durch die wechselnde Sättigung
der Kernteile entstehende Kurve der magnetischen Permeabilität dar. Da der durch
die beiden Kernteile fließende Signalfluß: von ihrer Leitfähigkeit abhängt, entspricht
die Kurve 11 auch der Ausgangscharakteristik eines am Eingang gleichförmigen Signalflusses.
Der Signalfluß erscheint also in der doppelten Hilfsfrequenz, wie schon oben erläutert
wurde. So weit, und nur so weit ist die bisher beschriebene Anordnung bekannt.
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Erfindungsgemäß wird nun die Auskoppelwicklung 5 durch einen Kondensator
6 auf die erste Oberwelle 2F des Hilfsstromes mit der Frequenz F abgestimmt. Der
Resonanzstrom erzeugt in den beiden magnetischen Kreisen 1 und 2 einen zusätzlichen
magnetischen Fluß von der Frequenz 2F, der in Kurve 13 dargestellt ist und der sich
mit dem durch die Hilfsströme der Frequenz F erzeugten Flüssen überlagert. Die überlagerung
ist in den Kurven 14 und 15 dargestellt, welche durch Addieren der von den Kurven
8 und 13 und der von den Kurven 10 und 13 dargestellten Werte entstanden sind. Die
gezeigte Überlagerung erzeugt aber einen Gleichfluß. Dieser Effekt an sich ist wieder
in der Magnettontechnik bekannt, wo man zur Vormagnetisierung und zum Löschen des
Magnettonbandes Generatoren verwendet, die nach Möglichkeit keine ungradzahligen
Oberwellen enthalten, um die gleichzeitige Aufzeichnung von dadurch bedingten magnetischen
Gleichfeldern zu vermeiden. Diese Erscheinung soll im folgenden durch die Worte
» Erste Oberwelle erzeugt Gleichfluß « gekennzeichnet werden.
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Läuft der von der ersten Oberwelle erzeugte Gleichfluß nicht senkrecht
zum Signalfluß, so beeinflußt er diesen. Die Erfindung besteht somit in der Verkoppelung
der beiden an sich bekannten Erscheinungen » Gleichfluß erzeugt erste Oberwelle
« und » Erste Oberwelle erzeugt Gleichfluß «. Das erfindungsgemäße Mittel ist die
Abstimmung der Auskoppelwicklung mittels einer Kapazität 6 auf die erste Oberwelle
mit der Frequenz 2 F der Hilfsfrequenz F, wobei die Anordnung so getroffen ist,
daß der Resonanzstrom im Auskoppelkreis die Wirkung des Steuerflusses, der durch
den Steuerstrom in der Eingangswicklung erzeugt wird, verstärkt.
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Es liegt somit eine Rückkopplung im Sinn einer Mitkopplung vor, wobei
der Grad der Rückkopplung durch die Größe des Blindstromes in der Auskoppelwicklung
eingestellt werden kann. In einer Erweiterung der Erfindung wird zur Einstellung
des Rückkopplungsgrades ein einstellbarer Dämpfungswiderstand 7 gemäß Fig. 1 in
den Schwingkreis eingefügt.
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Die Erfindung gestattet auch den Bau mehrstufiger magnetischer Verstärker,
wobei gemäß Fig. 2 die Auskoppelwicklung 5 der ersten Stufe mit der Eingangswicklung
4 der zweiten Stufe verbunden ist. Es können in entsprechender Weise mehrere Stufen
hintereinander geschaltet werden. Bei diesen mehrstufigen magnetischen Verstärkern
gemäß der Erfindung wird die Induktivität des Resonanzkreises in die Auskoppelwicklung
und in die Eingangswicklung aufgeteilt.
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In einer weiteren Ergänzung der Erfindung wird der Resonanzkreis so
bemessen, daß der magnetische Verstärker nach Anstoß durch ein Eingangssignal selbst
erregt wird, wobei die Phasenlage des durch den Resonanzstrom auftretenden Magnetflusses
durch die Phasenlage des Steuerstromes bestimmt wird und die Selbsterregung auch
nach Abschalten des Steuerstromes erhalten bleibt. Dies wird vorzugsweise durch
eine geringere Bedämpfung erzielt. Ein so bemessener magnetischer Verstärker kann
z. B. als Speicher dienen, der die Phasenlage des nur kurz eingegebenen Stromes
so lange festhält, bis der Hilfsstrom abgeschaltet wird.
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Durch die Erfindung wird durch Mitkopplung des Resonanzstromes eine
außergewöhnliche Verstärkung erreicht. Ohne Zuhilfenahme von besonderen Filtern
wird die erste Oberwelle bevorzugt, höhere Oberwellen werden unterdrückt. Mehrere
Stufen von erfindungsgemäßen Verstärkern können ohne Zuhilfenahme
von
Gleichrichtern hintereinander gekoppelt werden; Gleichrichterwiderstände stören
hierbei nicht.