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Magnetischer Modulator Für viele Aufgaben der Regelungstechnik wird
vom Regler verlangt, daß zwischen Eingangsgröße und Ausgangsgröße außer einem größenmäßigen
Zusammenhang, beispielsweise Proportionalität, Übereinstimmung der Polarität gegeben
ist. Von diesen Forderungen ist beim einfachen Magnetverstärker nur diejenige nach
Proportionalität und auch diese nur über einen relativ kleinen Aussteuerbereich
erfüllt. Übereinstimmung der Polarität kann zwar durch Zusammenschalten zweier Magnetverstärker
im Gegentakt erzielt werden, doch sind hierbei schon manche Schwierigkeiten zu überwinden.
So ist z. B. die Linearität und Nullpunktsgenauigkeit der Gegentaktkennlinie stark
von den Kennlinien der zusammengeschalteten Magnetverstärker abhängig. Zwei Magnetverstärker
eignen sich praktisch nur für eine Gegentaktschaltung, wenn ihre Kennlinien guten
linearen Bereich und praktisch exakt nuLpunktssymmetrischen Verlauf haben. Man muß
also hierbei aus einer größeren Anzahl von Magnetverstärkern eine Auslese nach diesen
Gesichtspunkten treffen. Außerdem sind solche Gegentaktverstärker in vieler Beziehung
aufwendig: so bestehen sie aus vielen Einzelbauteilen und beanspruchen aus diesem
Grunde viel Platz. Ein weiterer Mangel besteht darin, daß die Einzelverstärker für
eine höhere Nennleistung auszulegen sind, als für den Gegentaktverstärker selbst
gefordert ist.
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Die obengenannte ziemlich kostspielige Auslese zur paarweisen Zusammenstellung
von Magnetverstärkern, die sich für eine Gegentaktschaltung eignen, ist vermeidbar,
wenn eine Einrichtung zur Symmetrierung der Gegentaktschaltung nach dem Zusammenbau
vorgesehen ist. Bei einem bekannten Magnetverstärker in Gegentaktschaltung sind
zu diesem Zweck in der Mitte einer jeden von zwei Steuerwicklungen einstellbare
Widerstände vorgesehen.
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Eine andere Eigenschaft verlangsamte außerdem das weitere Vordringen
des Gegentaktmagnetverstärkers in der Meß-, Steuer-, Regeltechnik. Bekanntlich steigt
die Kennlinie des Gegentaktverstärkers im normalen Aussteuerbereich etwa linear
an, hat bei einsetzender Übersteuerung eine Knickstelle und sinkt mit wachsender
Übersteuerung wieder allmählich ab. Bei Verwendung von Gegentaktrnagnetverstärkern
in Reglern kann es bei Übersteuerungen demnach vorkommen, daß der Regler nicht mehr
auf die Beseitigung der Regelabweichung, sondern auf deren Vergrößerung hin arbeitet.
Diese Eigenschaft ist jedoch für bestimmte Aufgaben, vorzugsweise in der Regeltechnik,
unerwünscht, in vielen Fällen sogar untragbar.
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Diese Nachteile treten bei magnetischen Modulatoren, die in verschiedenen
Ausführungen bekannt sind, nicht in dem Maße auf. Nach dem Arbeitsprinzip unterscheidet
man bei ihnen unter anderem solche mit reiner Wechselstromerregung und solche, deren
Erregergröße einweggleichgerichtet ist. Im letzteren Falle kann man von einem magnetischen
Modulator mit Selbstsättigungssteuerung sprechen, ein Arbeitsprinzip, das bei magnetischen
Verstärkern ebenfalls bekannt ist.
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Die Erfindung betrifft einen magnetischen Modulator in Gegentaktschaltung,
dessen Erregergröße ebenfalls durch Gleichrichtung aus einer Wechselspannung erhalten
wird.
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Ein solcher Modulator kann beispielsweise die Gegentaktverstärkerstufe
am Eingang eines Meß-oder Regelverstärkers vorteilbringend ersetzen. Man verzichtet
hierbei bewußt auf eine Verstärkung durch die Eingangsstufe, umgeht aber die obengenannten
Nachteile weitgehend und hat weiterhin noch den Vorteil, daß man kleine, in der
Eingangsstufe in Wechselströme umgeformte Gleichströme in den folgenden Stufen besser
verstärken kann.
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Bei einer bekannten, zu dieser Gattung magnetischer Modulatoren gehörenden
Schaltungsanordnung durchfließt ein einweggleichgerichteter Strom ein aus zwei gegensinnigen
Wicklungen gebildetes Erregerwicklungssystem. Jede dieser Wicklungen ist magnetisch
mit einem Teil eines aus zwei Teilen bestehenden weiteren Wicklungssystems gekopkelt,
welches vom Eingangsgleichstrom, d. h. der modulierenden Größe erregt wird. Die
gegensinnigen Wicklungen des Erregerwicklungssystems bewirken hierbei, daß für einen
Eingangsgleichstrom gleich Null sich die in den beiden Teilen des angekoppelten
Wicklungssystems
induzierten Spannungen bis auf einen gerätebedingten
Fehler ausgleichen. Ist jedoch der Eingangsstrom ungleich Null, so erfolgt in den
beiden Kernen eine Vormagnetisierung im Sinne einer Verlagerung des Arbeitspunktes
auf der Magnetisierungskennlinie in entgegengesetzter Richtung. Die durch die Erregung
erzeugte Wechseldurchflutung trifft demnach in jedem der beiden Kerne auf einen
anderen, relativ schmalen Bereich der nichtlinearen Magnetisierungskennlinie, so
daß die in den beiden Teilen des angekoppelten Wicklungssystems induzierten Spannungen
voneinander abweichen. Die Differenz dieser Wechselspannungen wird beispielsweise
transformatoriseh angekoppelt und stellt die Ausgangs-oder modulierte Größe des
Modulators dar.
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Bei diesem bekannten Modulator ergibt sich für einen zulässigen Aussteuerbereich
gute Linearität, und auch Nulipunktsstabilität ist mit gewissen Einschränkungen
gewährt. Theoretisch wären hierbei auch Übersteuerungen möglich, weil die Kennlinie
des Modulators auch für hohe Übersteuerungen immer ansteigende Tendenz hat, d. h.
das Vorzeichen ihrer Steigung nie ändert. In der Praxis werden jedoch solche Übersteuerungen
stets gescheut, weil sie insofern recht ungünstige Auswirkungen haben, als die Remanenz
und Permeabilität des für die Kerne verwandten weichmagnetischen Materials in starkem
Maße von der Größe einer einmal stattgefundenen Überlastung abhängt. Eine solche
Übersteuerung verursacht demnach eine Änderung des Verhaltens des Modulators, welche
auf Kosten der Genauigkeit geht. Die vorgenannten, infolge des Austausches des Magnetgegentaktverstärkers
gegen den magnetischen Modulator gewonnenen Vorteile könnten demnach bei einer einmaligen
Übersteuerung wieder verlorengehen.
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Nach der Erfindung gelingt in dieser Hinsicht eine weitgehende Verbesserung
dadurch, daß ein Kernmaterial mit einem im steilen Abschnitt der Magnetisierungskennlinie
liegenden Remanenzpunkt verwendet wird, der in unausgesteuertem Zustand den Arbeitspunkt
des Modulators darstellt und von dem aus eine Aufmagnetisierung bis weit in die
Sättigung erfolgt. Nach der Erfindung wird Unempfindlichkeit gegenüber Übersteuerungen
und damit hohe Nullpunktssicherheit dadurch gewährleistet, daß die Kerne des Modulators
für jeden Aussteuergrad über einen Teil der Welle der periodisch veränderlichen
Durchlutung in die Sättigung gelangen. Dieser Teil der Welle is um so größer, je
höher der Modulator ausgesteuert ist. Bei Übersteuerung kommt man schließlich an
einen Punkt, an welchem .die Kerne die volle Sättigung überhaupt nicht mehr verlassen.
Die Permeabilität und Remanenz der Spulenkerne sind deshalb ziemlich unabhängig
von Überbelastungen, so daß im Betrieb praktisch keine Einbuße der Genauigkeit eintritt.
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Obgleich also hier als wesentliche Verbesserung gegenüber der bekannten
Ausführung Verschiebungen der Kennlinie praktisch vermieden werden, sind trotzdem
für den Fall, daß eine Nachjustierung nötig ist, Mittel hierfür vorgesehen. Es sind
bei einer Ausführung nach der Erfindung einstellbare Widerstände vorgesehen, an
welchen einmal die die Wechseldurchflutung hervorrufende, einweggleichgerichtete
elektrische. Größe und zum anderen die Belastung der Symmetrierwicklungen veränderbar
ist. Die die Modulatorenkerne durchsetzenden magnetischen Wechselflüsse sind demnach
in zwei Komponenten beeinflußbax, so daß Korrekturen der Kennlinie in einfacher
Weise möglich sind.: Nachjustierungen können also hierbei ohne weiteres vorgenommen
werden. In erster Linie dienen diese Einstellwiderstände jedoch dem Zweck, eine
Serie von Modulatoren nach Verlassen der Fertigung zu justieren, und zwar in solcher
Weise, daß sich ein Ausmessen zum Vergleich der Spuleneigenschaften und eine Auslese
in der eingangs für einen Magnetverstärker beschriebenen Weise erübrigt. Hierdurch
ist eine beträchtliche Kosteneinsparung erzielt.
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In der Zeichnung sind in den Fig. 1 und 6 Ausführungsformen des magnetischen
Modulators nach der Erfindung schematisch dargestellt, während in den Fig. 2 bis
5 Schaubilder wiedergegeben sind, die der Erläuterung der Wirkungsweise dienen.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind zwei voneinander unabhängig magnetische
Kreise vorhanden, in demjenigen nach Fig. 6 kommt nur ein einziger, und zwar ein
vermaschter magnetischer Kreis zur Anwendung. Fig.2 zeigt eine vereinfachte bereichsweise
linearisierte Magnetisierungskennlinie. In Fig. 3 ist der Verlauf der bereits gleichgerichteten
Erregerspannung abgebildet, und in Fig.4 und 5 ist die Entstehung der Ausgangsgröße
in der richtigen Phasenlage gegenüber der Erregerspannung dargestellt.
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In Fig. 1 bedeuten -1 und 1' zwei rahmenförmige Spulenkerne, die aus
weichmagnetischem Material hergestellt sind. Die Bleche für diese Kerne können beispielsweise
U-förmig gestaltet sein. Sie werden bei der Aufschichtung des Kernes gegeneinander
geführt, so daß sich die rahmenförmige Gestalt ergibt. Jeder der beiden Kerne 1
und 1' ist mit fünf Wicklungen versehen, nämlich mit einer von der einweggleichgerichteten
Wechselspannung beaufschlagten Erregerwicklung 2 bzw. 2', zwei beispielsweise für
einen Soll- und einen Istwert bestimmten Eingangswicklungen 4 und 4' bzw. 3 und
3', einer Symmetrierwicklung 5 bzw. 5' und einer Ausgangswicklung 6 bzw. 6'. Die
beiden Erregerwicklungen 2 bzw. 2' sind an einem Ende über Begrenzungswiderstände
7 bzw. 7' an eine Klemme 8 angeschlossen. Die anderen Enden der Erregerwicklungen
2 bzw. 2' sind über einen potentiömeterähnlichen Vorwiderstand 9 verbunden. Zwischen
den Abgriff des Widerstandes 9 und eine andere Klemme 10 ist ein Gleichrichter 11
geschaltet. Die Klemmen 8 und 10 stellen die Eingangsklemmen des Modulators dar
und können beispielsweise an einer Spannung von 10 V bei 50 Hz liegen. Bei angelegter
Spannung mag sich in den Kernen 1 und 1' für einen beliebigen Augenblick ein in
Richtung des gestrichelten Pfeiles verlaufender magnetischer Wechselluß ergeben.
Die Eingangswicklungen 3 und 3', die den Istwert führen, bzw. die Eingangswicklungen
4 und 4 ; die den Sollwert führen, liegen so in Reihe an den Klemmen 12 und 13 bzw.
14 und 15; daß sich für den betrachteten Moment im Kern 1' ein in Richtung des Wechselflusses,
im Kern 1 dagegen ein in entgegengesetzter Richtung verlaufender magnetischer Fluß
einstellt. Die Richtung des durch die Eingangswicklungen erzeugten magnetischen
Gleichflusses ist durch die strichpunktierten Pfeile angedeutet. Wechselspannungen,
die in den Eingangswicklungen erzeugt werden, heben sich infolge der Reihenschaltung
gegenseitig auf. Die Symmetrierwicklungen 5 bzw. 5' sind derart an einen potentiometerähnlichen
Belastungswiderstand 16 angeschlossen,
daß die eine Wicklung über
den zwischen Abgriff und dem einen Ende gebildeten Teilwiderstand, die andere über
den ergänzenden Widerstand kurzgeschlossen ist. Die Ausgangswicklungen 6 bzw. 6'
sind derart in Reihc geschaltet, daß an zwei Ausgangsklemmen 17 und 18 die Differenz
der in ihnen induzierten Spannungen erscheint. Ein Regelverstärker 19 ist an die
Ausgangsklemmen angeschlossen. Mit den durchgezogenen Pfeilen ist die Polarität
der in den Wicklungen 5 bzw. 5' und 6 bzw. 6' induzierten Spannungen für den betrachteten
Augenblick angedeutet.
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Die Kerne der beiden magnetischen Kreise sind vorzugsweise in einer
solchen planparallelen oder seitenparallelen Anordnung zueinander im Gehäuse eingebaut,
daß ein möglicherweise vorhandenes homogenes Fremdfeld den wirksamen, durch die
Eingangswicklungen erzeugten Gleichfluß in dem mit der Ausgangswicklung versehenen
Schenkel des einen Kreises abschwächt und in dem des anderen verstärkt. Durch diese
Anordnung erzielt man weitgehend Unabhängigkeiten gegenüber von außen einwirkenden
magnetischen Fremdfeldern.
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Von den Eingangswicklungen 3 bzw. 3', die den Istwert führen, und
den Eingangswicklungen 4 bzw. 4', die den Sollwert führen, wird ein resultierender
magnetischer Gleichfluß erzeugt, der beispielsweise der Regelabweichung proportional
ist. Dieser resultierende Gleichfluß durchsetzt die Kerne 1 bzw. 1' in Richtung
der strichpunktierten Pfeile.
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Ist die Regelabweichung gleich Null, so haben beide Kerne den Arbeitspunkt
A (Remanenzpunkt) auf der vereinfachten Magnetisierungskennlinie nach Fig.2. Durch
die Erregung mit Halbwellenstrom (vgl. Fig. 3) werden beide Kerne bis weit in die
Sättigung gebracht (Punkt C) und zurück nach Punkt A. Die in den Eingangs- und Ausgangswicklungen
induzierten Spannungen heben sich auf. Sind Soll- und Istwert verschieden, so werden
die Kerne von einem solchen Gleichfluß durchsetzt, daß sich. der Arbeitspunkt des
Kernes 1 nach Punkt B1, der des Kernes 2 nach Punkt B2 verschiebt. Die in der Ausgangswicklung
6 induzierte Spannung ist hierbei proportional 4(D1, während die in der Ausgangswicklung
6' induzierte Spannung proportional 4D2 ist. In Fig. 4 sind die in den Ausgangswicklungen
induzierten Spannungen wiedergegeben. In vereinfachter Darstellung handelt es sich
bei diesen Spannungen um Dreieckimpulse, die bei ansteigendem Erregerstrom positiv,
bei abfallendem Erregerstrom negativ sind. Der hohe Dreieckimpuls entsteht
hierbei in der Ausgangswicklung 6', der niedere in der Wicklung 6. Die Differenz
dieser beiden Spannungen liegt an den Ausgangsklemmen 17 und 18 und hat etwa die
Form der in Fig. 5 dargestellten Dreieckimpulse. Die Ausgangsspannung kann hierbei
durch eine Summe periodischer Schwingungen angenähert werden, deren Grundwelle die
gleiche Frequenz hat wie der Erregerstrom.
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Mit Hilfe der Widerstände 9 und 16 ist der Nullpunkt der Anordnung
bei stromlosen Eingängen einstellbar, so daß Unterschiede in. den Eigenschaften
der Spulen ausgeglichen werden können. Der Vorwiderstand 9 erlaubt hierbei die Unterdrückung
einer mit der Ausgangsspannung etwa gleichphasigen Spannungskomponenten, während
an dem Belastungswiderstand 16 eine um 90° verschobene Spannungskomponente beseitigt
werden kann. Versieht man die Eingangswicklungen mit Anzapfungen, so hat man eine
einfache Möglichkeit, durch Umschaltung der Windungszahlen die Empfindlichkeit der
Anordnung (bei Verwendung des Modulators in Gleichspannungsverstärkem) bzw. den
Proportionalbereich (bei Verwendung in Reglern) zu ändern.
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In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für den magnetischen
Modulator nach der Erfindung dargestellt. Hierbei findet nur ein einziger vermaschter
magnetischer Kreis Verwendung. In Fig. 6 ist mit 21 ein Mantelkern angedeutet, dessen
Mittelschenkel über Joche mit den beiden Außenschenkeln verbunden ist. Jeder der
beiden Zweige des magnetischen Kreises wird aus einem der beiden Außenschenkel und
dem Außenschenkel und Mittelschenkel verbindenden Jochteil gebildet: Jeder der Zweige
ist mit einer Erregerwicklung 22 bzw. 22', zwei nicht dargestellten Eingangswicklungen,
einer Symmetrierwicklung 23 bzw. 23' und einer Ausgangswicklung 24 bzw. 24' versehen.
Die beiden Erregerwicklungen 22 bzw. 22' sind in Reihe geschaltet und liegen über
einen Begrenzungswiderstand 25 und einen Gleichrichter 26 an den Eingangsklemmen
27 und 28. Von den Erregerwicklungen wird für einen beliebigen Augenblick ein magnetischer
Wechselfluß erzeugt, der sich über die Außenschenkel und Joche schließt und in Richtung
des gestrichelten Pfeiles verläuft. Der von -den Eingangswicklungen erzeugte, in
dem einen Außenschenkel mit dem Wechselfluß in gleicher Richtung, im anderen in
entgegengesetzter Richtung verlaufende magnetische Gleichfluß schließt sich über
den Mittelschenkel des Kernes. Die Richtung dieses Gleichflusses ist durch die strichpunktierten
Pfeile angedeutet. Der Mittelschenkel kann gegebenenfalls mit einem Luftspalt 29
versehen sein, wenn ein besonderes Verhalten verlangt wird. Die beiden Symmetrierwicklungen
23 bzw. 23' sind an einen potentiometerähnlichen Belastungswiderstand 3 c angeschlossen,
wobei die eine Wicklung mit dem zwischen dem einen Ende und dem Abgriff wirksamen
Teilwiderstand, die andere mit dem ergänzenden Teilwiderstand belastet isst. Die
Ausgangswicklungen 24 bzw. 24' sind derartig in Reihe geschaltet, daß an einem nachgeschalteten
Gerät, beispielsweise einem Regelverstärker 31, die Differenz der in ihnen induzierten
Spannungen anliegt.
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Benutzt man den magnetischen Modulator in dieser Ausführungsform als
Eingangsstufe eines Regelverstärkers, so kann an den Erregerwicklungen ähnlich dem
vorgenannten Ausführungsbeispiel der Soll-Istwertvergleich magnetisch erfolgen.
In dem nachgeschalteten Verstärker erscheint dann eine der Regelabweichung proportionale
Spannung. Die Erregerwicklungen brauchen nicht notwendigerweise an dem Außenschenkel
angeordnet zu sein, sie können auch, ohne die Wirkungsweise zu verändern, um den
Mittelschenkel liegen. Versieht man den Mittelschenkel mit einem Luftspalt 29, so
wird die Kennlinie des Modulators zwar etwas flacher, doch ist dadurch ihre Linearität
verbessert.
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In der Wirkungsweise unterscheiden sich die beiden Ausführungsformen
nicht, so daß sich eine eingehende Erläuterung dieses Beispieles erübrigt. Die Zweige
des magnetischen Kreises in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 erfüllen die gleiche
Aufgabe wie die beiden magnetischen Kreise im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Die
beiden Ausgangswicklangen
erzeugen für einen bestimmten Aussteuerzustand
ebenso Dreieckimpulse (vgl. Fig. 4), deren Abweichung im Ausgang des Modulators
festgestellt wird (vgl. Fig. 5). Der Vorteil des letztgenannten Beispiels liegt
insbesondere in der einfacheren Bauweise.
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Ein weiterer Vorteil des Erfindungsgegenstandes gegenüber den bekannten
Ausführungen besteht darin, daß man in der Wahl der Erregerspannung vollkommen freizügig
ist. Die Kurvenform kann hierbei beispielsweise verzerrt sein, ohne daß die Genauigkeit
beeinträchtigt wird. Es könnte beispielsweise als Erregerspannung auch eine Dreieckwechselspannung,
eine Rechteckwechselspannung usw. verwendet werden.