DE1151282B - Magnetverstaerker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetverstärker mit zwei in Gegentakt geschalteten Vollwellenteilen, die Magnetkerne mit Steuer-, Arbeits- und Entmagnetisierungswicklungen enthalten, wobei die Entmagnetisierungswicklungen jedes Vollwellenteiles hintereinandergeschaltet sind.

Das Hauptanwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung sind Magnetverstärker, deren Kerne während jeder zweiten Halbwelle eines speisenden Wechselstromes mittels einer Rückmagnetisierungsanordnung entmagnetisiert werden. Im Betrieb derartiger Verstärker sind zwei Intervalle zu unterscheiden, nämlich ein Aufmagnetisierungs- und Sättigungsintervall und ein Rückmagnetisierungs- oder Entsättigungsintervall.

Die beiden Intervalle entsprechen zeitlich im wesentlichen den Halbwellen des speisenden Wechselstromes. Im Sättigungsintervall liefert die Wechselstromquelle Energie an den Verstärker. Diese Energie wird so lange vom Kern aufgenommen, bis dieser gesättigt ist, der Rest der während des Sättigungsintervalls von der Wechselstromquelle gelieferten Energie wird dem Verbraucher zugeführt. Während des auf das Sättigungsintervall folgenden Entsättigungsintervalls wird der Kern durch einen Entmagnetisierungskreis und durch einen Steuerkreis rückmagnetisiert. Der Entmagnetisierungskreis kann so ausgebildet sein, daß der Kern während des Entmagnetisierungsintervalls auf den Induktionswert Null rückmagnetisiert wird, wenn kein Eingangssignal anliegt. Das Eingangssignal kann je nach seiner Polarität im gleichen oder entgegengesetzten Sinne wie der Entmagnetisierungskreis wirken.

Die einfachsten Magnetverstärker enthalten nur einen bewickelten Kern oder Transduktor. Kompliziertere Magnetverstärker können mehrere Transduktoren enthalten, die auf die verschiedenste Weise zusammengeschaltet sein können. So ist es beispielsweise möglich, zwei Transduktoren nach Art eines Vollweggleichrichters zusammenzuschalten, so daß der eine Transduktor während der einen und der andere während der anderen Halbwelle den Verbraucher speist. Es können auch zwei Transduktoren nach Art eines Gegentaktverstärkers verbunden sein. Hierbei arbeiten beide Transduktoren gleichzeitig im Sättigungs- bzw. Entsättigungsintervall, und die Ausgangssignale der beiden Transduktoren werden voneinander subtrahiert. Bei solchen Gegentaktverstärkern wird der Steuerkreis so geschaltet, daß das Steuersignal die eine Hälfte des Verstärkers in der einen und die andere Hälfte in der entgegengesetzten Richtung aussteuert. Die beiden Hälften eines Gegentaktverstärkers können auch als Vollwegschaltungen ausgebildet sein.

Magnetverstärker

Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld

und Dr. D. v. Bezold, Patentanwälte,
München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 27. Juni 1960 (Nr. 39 160)

David Logan Lafuze, Cincinnati, Ohio (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Bei einem bekannten Magnetverstärker mit zwei in Gegentakt geschalteten Vollwellenteilen sind die Magnetisierungswicklungen sämtlicher vier Transduktoren hintereinandergeschaltet.

Es ist ferner ein Vollwellen-Magnetverstärker bekannt, der im Eintaktbetrieb arbeitet. Die Rückmagnetisierungswicklungen sind miteinander und einem Gleichrichterelement in Reihe geschaltet und an eine Transformatorwicklung angeschlossen, die auch den Arbeitskreis speist.

Es hat sich herausgestellt, daß in Vollweg-Gegentaktmagnetverstärkern ein den Verstärkungsfaktor erhöhender, einer Rückkopplung ähnlicher Effekt auftritt, da das Steuersignal die beiden Hälften des Verstärkers in entgegengesetzter Richtung aussteuert. Die entgegengesetzte Richtung des Steuersignals in den beiden Hälften des Verstärkers bewirkt, daß die den beiden Verstärkerhälften entsprechenden Hysteresisschleifen in entgegengesetzten Richtungen verschoben werden, wodurch die Spannungsverteilung zwischen den in Reihe geschalteten Steuerwicklungen geändert wird und ein größerer Unterschied zwischen den Rückmagnetisierungen der beiden Verstärkerhälften und dementsprechend eine größere Ausgangsspannung auftritt, als an sich zu erwarten wäre. Bei den bekannten Verstärkerschaltungen tragen die Entmagnetisierungswicklungen jedoch nicht zur Erhöhung des Verstärkungsfaktors bei, da sie im allgemeinen so geschaltet sind, daß sie die Kerne in derselben Rich-

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tung, also zurück zum gewünschten Nullpunkt der Magnetisierung aussteuern.

Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß durch geeignete Schaltung der Rückmagnetisierungswicklungen eine zusätzliche Erhöhung des Verstärkungsfaktors zu erreichen ist, indem durch den Rückmagnetisierungskreis von einem Verstärkerteil, der im Sättigungsintervall arbeitet, Rückmagnetisierungsenergie auf einen anderen Verstärkerteil, der im Entsättigungsintervall arbeitet, gekoppelt wird.

Ein Magnetverstärker mit zwei in Gegentakt geschalteten Vollwellenteilen, die Magnetkerne mit Steuer-, Arbeits- und Entmagnetisierungswicklungen enthalten, wobei die Entmagnetisierungswicklungen jedes Vollwellenteiles hintereinandergeschaltet sind, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die hintereinandergeschalteten Entmagnetisierungswicklungen der beiden Vollwellenteile einander parallel geschaltet sind.

Die Erfindung soll nun an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden; dabei bedeutet

Fig. 1 ein Schaltbild eines Magnetverstärkers, das zur Erläuterung der der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien dient,

Fig. 2 a bis 2 c verschiedene Kurvenformen des einen Arbeitswiderstand des in Fig. 1 dargestellten Magnetverstärkers durchfließenden Stromes für verschiedene Werte einer Eingangsspannung,

Fig. 3 eine Hysteresiskurve des Kerns des in Fig. 1 dargestellten Magnetverstärkers,

Fig. 4 ein Schaltbild eines Vollwellen-Gegentaktmagnetverstärkers gemäß der Erfindung,

Fig. 5 a und 5 b Hysteresiskurven der Kerne der Transduktoren A bzw. C des Verstärkers der Fig. 4,

Fig. 6 a eine graphische Darstellung des Kurvenverlaufes des Ausgangsstromes des Transduktors A, Fig. 6 b eine Hysteresisschleife des Kerns des Transduktors B₁

Fig. 6 c eine graphische Darstellung des Ausgangsstromes des Transduktors C,

Fig. 6 d eine Hysteresisschleife des Kerns des Transduktors D,

Fig. 6 e eine graphische Darstellung eines aus den Ausgangssignalen der Fig. 6 a und 6 c kombinierten Ausgangssignals,

Fig. 7 a und 7 b graphische Darstellungen des Ausgangssignals des Transduktors A bzw. C und

Fig. 8 ein Diagramm, das den Verlauf des Verstärkungsfaktors in Abhängigkeit von Windungszahl- und Widerstandsverhältnissen zeigt.

Zum Verständnis der Erfindung sollen zuerst in Verbindung mit Fig. 1, 2 und 3 ein einfacher magnetischer Verstärker und seine Betriebseigenschaften behandelt werden. Die wesentlichen Bestandteile dieses Verstärkers sind ein Kern 9 mit einer vorzugsweise nahezu rechteckigen Hysteresisschleife, ferner eine Rückmagnetisierungsschaltung, die eine von einer geeigneten Gleichstromquelle 8 gespeiste Wicklung 11 umfaßt, ein Ausgangskreis mit einer Wechselstromquelle 7, einem Arbeitswiderstand 5, einer Diode 3 und einer Arbeitswicklung 1 und ein Eingangskreis mit einer Steuerwicklung 13, der das Eingangssignal zugeführt wird. Während einer ersten Halbwelle der von der Quelle 7 gelieferten Wechselspannung möge diese die in Fig. 1 eingezeichnete Polarität besitzen, und die Diode 3 ermöglicht daher, daß im Ausgangskreis ein Strom fließt. Wenn in der Arbeitswicklung 1 ein Strom fließt, entsteht im Kern 9 ein magnetischer Fluß, der diesen in die Sättigung treibt, die in Fig 3 dem Punkt 15 entspricht.

Während einer zweiten Halbwelle kehrt sich die Polarität der von der Quelle 7 gelieferten Spannung um, und die Diode 3 sperrt den Stromfluß im Ausgangskreis. Während dieser Halbwelle wird der Kern entsättigt oder rückmagnetisiert, so daß während der anschließenden Halbwelle eine Steuerung des Sättigungszustandes möglich ist.

Die Gleichspannungsquelle 8 liefert an die Rückmagnetisierungswicklung 11 einen Strom, der im Kern 9 einen Fluß erzeugt, der dem durch die Arbeitswicklung 1 während der vorhergegangenen Halbwelle erzeugten Fluß entgegengerichtet ist. Dieser Fluß für sich allein entsättigt den Kern bis zum Punkt 21 auf der in Fig. 3 dargestellten Hysteresisschleife. In der Steuerwicklung 13 fließt ein Strom entsprechend der Polarität und Größe des Eingangssignals, der im Kern 9 einen Fluß erzeugt, der entweder den durch die Rückmagnetisierungswicklung 11 erzeugten Fluß unterstützt oder ihm entgegengerichtet ist. Wenn der Steuerfluß der Rückmagnetisierung entgegenwirkt, wird die Magnetisierung des Kerns beispielsweise auf den Punkt 19 eingestellt, bei gleichgerichteter Magnetisierung stellt sich beispielsweise der Arbeitspunkt 23 ein. Die Halbwelle, in der der Kern 9 entsättigt oder rückmagnetisiert wird, ist das obenerwähnte Entsättigungsintervall.

Während einer dritten Halbwelle der von der Quelle 7 gelieferten Wechselspannung hat diese wieder die eingezeichnete Polarität, und im Ausgangskreis fließt daher wieder Strom. Zu Beginn dieser HaIbwelle ist der Kern 9 noch nicht vollständig gesättigt. Die Arbeitswicklung 1 stellt daher eine hohe Impedanz im Ausgangskreis dar, und der größte Teil der von der Wechselspannungsquelle 7 gelieferten Spannung fällt an der Arbeitswicklung 1 ab. An dem in Serie geschalteten Arbeitswiderstand entsteht praktisch keine Spannung. Dieser Zustand mit einer hohen Impedanz der Arbeitswicklung 1 bleibt erhalten, bis der Kern 9 genügend Energie aufgenommen hat, Tim gesättigt zu sein. Ist der Kern 9 gesättigt, so ist die Impedanz der Arbeitswicklung 1 niedrig, und praktisch die gesamte Spannung fällt am Arbeitswiderstand 5 ab. Während dieser dritten Halbwelle wird der Kern 9 also gesättigt, und diese Halbwelle stellt daher das obenerwähnte Sättigungsintervall dar.

Die von der Wechselspannungsquelle 7 an den Verstärker gelieferte Energie wird durch den Kern 9 aufgenommen, wenn die Impedanz der Arbeitswicklung hoch ist, d. h. wenn der Kern gesättigt wird, und durch den Arbeitswiderstand 5, wenn die Impedanz der Arbeitswicklung niedrig ist. Wenn der Kern 9 im Entsättigungsintervall nur geringfügig entsättigt wird, beispielsweise bis zum Punkt 19 auf der in Fig. 3 dargestellten Hysteresiskurve, ist nur eine kurze Zeitspanne erforderlich, um den Kern während des darauffolgenden Sättigungsintervalls wieder zu sättigen. Dadurch wird die Zeitspanne, während der am Arbeitswiderstand 5 eine Spannung liegt, verhältnismäßig lang, wie etwa Fig. 2 b zeigt. Wenn andererseits der Steuerwicklung 13 kein Steuersignal zugeführt wird, wird der Kern durch die Gleichspannungsquelle 8 bis zum Punkt 21 in Fig. 3 entsättigt, und zur erneuten Sättigung des Kerns ist ein größerer Teil des Sättigungsintervalls erforderlich. Wie Fig. 2 a zeigt, ist dann auch die dem Arbeits-

widerstand 5 zugeführte Leistung geringer. Wenn das Eingangssignal den Kern bis zum Punkt 23 in Fig. 3 entsättigt, benötigt die erneute Sättigung noch mehr Zeit, so daß die Zeitspanne, während der am Arbeitswiderstand 5 Spannung liegt, sehr kurz wird, wie etwa Fig. 2 c zeigt. Man sieht, daß ein der Wicklung 13 zugeführtes, verhältnismäßig kleines Eingangssignal eine verhältnismäßig große Änderung der am Arbeitswiderstand 5 auftretenden Spannung bewirkt.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines Magnetverstärkers gemäß der Erfindung, der vier Kerne enthält und im Vollweg und im Gegentakt arbeitet. Die Erfindung ist natürlich nicht auf diese spezielle Verstärkerschaltung beschränkt, und andere Schaltungsanordnungen können ebenso verwendet werden. Der Kern 30 mit den ihm zugeordneten Bauelementen, nämlich der Arbeitswicklung 40, der Diode 70, der Entmagnetisierungswicklung 60 und der Steuerwicklung 50, stellt im wesentlichen einen Einkern-Verstärker dar, der praktisch ebenso arbeitet, wie der in Fig. 1 dargestellte Verstärker, und ein Ausgangssignal am Arbeitswiderstand 90 liefert. Diese Einheit soll als Verstärkerteil A bezeichnet werden. In entsprechender Weise bildet der Kern 31 mit der ihm zugeordneten Arbeitswicklung 41, der Diode 71, der Entmagnetisierungswieklung 61 und der Steuerwicklung 51 den Verstärkerteil B. Die Teile A und B sind, wie dargestellt, zu einer Vollwegschaltung zusammengeschaltet, d. h. daß jeweils der eine Teil im Sättigungsintervall und der andere Teil im Entsättigungsintervall arbeitet.

Zum Zwecke der Erklärung soll angenommen werden, daß das Potential an der Sekundärwicklung des Transformators 25 während der ersten Halbwelle des von der Wechselspannungsquelle 24 gelieferten Stromes an der Klemme 26 positiv und an der Klemme 27 negativ ist. Dann fließt Strom von der Klemme 26 durch die Arbeitswicklung 40, die Diode 70, den Widerstand 90 und den Widerstand 85 zurück zum Mittelabgriff 29 des Transformators 25. Während derselben Halbwelle kann von der Klemme 27 in die Arbeitswicklung 41 kein Strom fließen, da die Diode 71 in Sperrichtung beaufschlagt wird und daher nicht leitet. Während dieser ersten Halbwelle durchläuft der Verstärkerteil A mit der Arbeitswicklung 40 das Sättigungsintervall, während der Verstärkerteil B mit der Arbeitswicklung 41 im Entsättigungsintervall arbeitet. In der zweiten Halbwelle kehrt sich die Polarität an der Sekundärwicklung des Transformators 25 um. Die Klemme 27 wird positiv und die Klemme 26 negativ. Während dieser Halbwelle erlaubt die Diode 71 einen Stromfluß durch die Arbeitswicklung 71, während die Diode 70 einen Stromfluß durch die Arbeitswicklung 40 sperrt.

Der Vollwegbetrieb ist leicht zu übersehen, wenn man daran denkt, daß der Verstärkerteil A während der ersten Halbwelle im Sättigungsintervall arbeitet, wobei ein Ausgangssignal an den Widerständen 90 und 85 entsteht. In entsprechender Weise arbeitet der Verstärkerteil B während der zweiten Halbwelle im Sättigungsintervall, wobei ebenfalls an den Widerständen 90 und 85 ein Ausgangssignal erzeugt wird. Da die beiden Verstärkerteile Ausgangssignale an denselben Arbeitswiderständen während abwechselnder Halbwellen liefern, liegt ein Vollwegbetrieb vor. Die Teile/4 und B des Verstärkers bilden eine erste Vollwegstufe 80 des gesamten Verstärkers.

Der Kern 32 mit der Arbeitswicklung 42, der Diode 72, der Entmagnetisierungswicklung 62 und der Steuerwicklung52 bildet einen Verstärkerteile, der während derselben Halbwelle wie der Verstärkerteil A im Sättigungsintervall arbeitet. Der Verstärkerteil C liefert daher in den Widerständen 92 und 85 während einer ersten Halbwelle einen Ausgangsimpuls. Der Kern 33 mit der Arbeitswicklung 43, der Diode 73, der Entmagnetisierungswicklung 63 und der Steuerwicklung 53 bildet einen Verstärkerteil D, der im selben Rhythmus wie der Teil B arbeitet und während der zweiten Halbwelle Ausgangsimpulse an die Widerstände 92 und 85 liefert. Die Teile C und D arbeiten daher im Vollwegbetrieb und bilden eine zweite Vollwegstufe 82 des Verstärkers.

Die zwei Vollwegstufen 80 und 82 arbeiten im Gegentakt. Wie aus Fig. 2 a bis 2 c ersichtlich ist, hat das Ausgangssignal eines Magnetverstärkers mit einem einzigen Kern immer die gleiche Polarität, auch wenn sich die Polarität des Eingangssignals umkehrt. In Fällen, in denen es wünschenswert ist, daß das Ausgangssignal die Polarität ebenso ändert wie das Eingangssignal, wird normalerweise eine Gegentaktschaltung verwendet.

Zur Erläuterung der Gegentaktanordnung soll angenommen werden, daß nur die Verstärkerteile A und C vorhanden sind. Dies ist ohne weiteres möglich, da die Verstärkerteile B und D in jeder zweiten Halbwelle in gleicher Weise arbeiten. Für die Zwecke der Erläuterung soll ferner angenommen werden, daß das den Klemmen 86 zugeführte Eingangssignal die in Fig. 4 eingezeichnete Polarität besitzt. Dann fließt ein Strom I_c in den in Serie geschalteten Steuerwicklungen 50, 52 auf den Kernen 30 bzw. 32. Der Wicklungssinn der Steuerwicklung 50 ist so gewählt, daß sich bei einem Strom I_c in der Steuerwicklung 50 ein Fluß im Kern 30 ergibt, der dem gleichzeitig durch die Entmagnetisierungswicklung 60 erzeugten Fluß entgegengerichtet ist. Die Steuerwicklung 52 besitzt einen solchen Wicklungssinn, daß der durch den Strom I_c erzeugte Fluß dem Fluß gleichgerichtet ist, der durch den Stromfluß in der Entmagnetisierungswicklung 62 erzeugt wird. Es soll hier vorausgesetzt werden, daß der durch die Entmagnetisierungswicklungen 60, 62 fließende Strom konstant und so bemessen ist, daß er für sich allein eine Entsättigung der Kerne auf die Punkte 105, 107 in Fig. 5 a bzw. 5 b bewirkt. Weiter unten in der Beschreibung wird erwähnt, daß die Punkte geändert werden, auf die die Kerne entmagnetisiert werden, zur Vereinfachung der Erläuterung soll im Moment jedoch angenommen werden, daß sie fest liegen.

Am Ende des Entsättigungsintervalls ist der Kern 30 in Fig. 4 auf den Punkt 101 der in Fig. 5 a dargestellten Hysteresisschleife entsättigt, da sich die einwirkenden Flüsse teilweise aufheben. Der Kern 32 in Fig. 4 ist dementsprechend bis zum Punkt 103 auf der in Fig. 5 b dargestellten Hysteresiskurve entsättigt, da die Flüsse gleichgerichtet sind. Während des nachfolgenden Sättigungsintervalls wird der Kern 30 nach einer verhältnismäßig kurzen Zeitdauer gesättigt, und die in Fig. 6 a dargestellte Spannung kann an den Widerständen 90 und 85 in Fig. 4 auftreten. Der Kern 32 benötigt zur Sättigung eine längere Zeit, und an den Widerständen 92 und 85 entsteht die in Fig. 6 c dargestellte Spannung. Der resultierende Stromfluß verläuft im Widerstand 90 von links nach rechts und im Widerstand 92 von rechts nach links. Das kombinierte Signal an den Widerständen 90, 92 ist die Differenz zwischen den in Fig. 6 a und 6 c diagrammatisch

dargestellten Spannungen. Diese in Fig. 6e dargestellte Differenzspannung erscheint an den Ausgangsklemmen 95. Die Verstärkerteile B und D arbeiten in entsprechender Weise und liefern an den Ausgangsklemmen 95 einen Impuls während der anderen Halbwellen, wie in Fig. 6e gestrichelt eingezeichnet ist.

Wenn die Amplitude des Eingangssignals \vächst, wandert der Punkt 101 in Fig. 5 a weiter nach oben und der Punkt 103 in Fig. 5 b weiter nach unten, so daß sich am Widerstand 90 ein größerer und am Widerstand 92 ein kleinerer Impuls ergibt. Da sich der Unterschied zwischen den an den Widerständen 90 und 92 entstehenden Impulsen vergrößert, resultiert an den Ausgangsklemmen 95 ein breiterer Impuls mit größerem Energieinhalt. Wenn das den Eingangsklemmen 86 zugeführte Eingangssignal dagegen Null ist, erfolgt die EntSättigung der Kerne 30, 32 allein durch die Entmagnetisierungswicklungen bis zu den Punkten 105 bzw. 107 in Fig. 5 a bzw. 5 b. An den Widerständen 90, 92 resultieren dann annähernd entgegengesetzt gleiche Spannungsimpulse, und an den Ausgangsklemmen 95 erscheint keine Differenzspannung. Wenn das den Klemmen 86 zugeführte Eingangssignal seine Polarität ändert, ist die am Widerstand 93 entstehende Spannung größer als die am Widerstand 90, so daß auch die an den Ausgangsklemmen 95 entstehende Spannung die Polarität ändert. Durch die Erfindung wird eine Verstärkeranordnung angegeben, die eine den Verstärkungsfaktor und die Empfindlichkeit automatisch erhöhende Entmagnetisierungsschaltung enthält. Die Schaltungsanordnung umfaßt die Entmagnetisierungswicklungen 60, 61, 62, 63. Die Entmagnetisierungswicklungen 60, 61 sind hintereinandergeschaltet und dann an den Widerstand 85 angeschlossen. In entsprechender Weise sind die Wicklungen 62, 63 in Serie parallel zum Widerstand 85 geschaltet. Dadurch, daß man die in Serie geschalteten Entmagnetisierungswicklungen in zwei getrennten Parallelkreisen anordnet, ergibt sich eine beträchtliche und unerwartete Erhöhung der Verstärkung und der Empfindlichkeit des Verstärkers. Wie diese Erhöhung der Verstärkung zustande kommt, kann am besten verstanden werden, indem man den Verstärker während der folgenden getrennten Betriebszustände betrachtet: wenn die Polarität des Eingangssignals der Bezeichnung der Klemmen 86 in Fig. 4 entspricht, wenn die Größe des Eingangssignals Null ist und wenn die Polarität des Eingangssignals an den Klemmen 86 umgekehrt ist, wie in Fig. 4 eingezeichnet.

Zuerst soll angenommen werden, daß das den Klemmen 86 zugeführte Eingangssignal die in Fig. 4 eingezeichnete Polarität besitzt. Der Einfachheit halber soll dabei zuerst nur die Arbeitsweise während einer Halbwelle betrachtet werden. Es soll für die Erläuterung ferner angenommen werden, daß während dieser Halbwelle die Kerne A und C im Sättigungsintervall und die Kerne B und D im Entsättigungsintervall arbeiten. Unter diesen Voraussetzungen tritt folgendes ein:

1. Der Verstärkerteil A arbeitet im Sättigungsintervall und benötigt bis zur vollständigen Sättigung des Kerns nur eine verhältnismäßig kurze Zeit. Das durch diesen Verstärkerteil an den Widerständen 90, 85 erzeugte Signal ist ein verhältnismäßig großer Ausgangsimpuls entsprechend Fig. 6 a.

2. Der Verstärkerteil C arbeitet im Sättigungsintervall und benötigt zur Sättigung des Kernes eine verhältnismäßig lange Zeit. Das durch diesen Teil an den Widerständen 92, 85 erzeugte Signal ist ein verhältnismäßig kleiner Ausgangsimpuls entsprechend Fig. 6 c.

3. Der Kern des Teiles B wird auf den Punkt 123 in Fig. 6 b entmagnetisiert.

4. Der Kern 33 des Teils D wird auf den Punkt 124 in Fig. 6 d entsättigt.

Von besonderer Wichtigkeit ist die Art und Weise, in der der Kern 31 des Teiles B und der Kern 33 des Teiles D Entmagnetisierungsenergie durch ihre Entmagnetisierungswicklungen 61 bzw. 63 erhalten. Wie die Entmagnetisierungsenergie den Kernen 31, 33 zugeführt wird, sieht man am besten, wenn man die betrachtete Halbwelle in drei Zeitabschnitte I, II, III unterteilt, wie in den Fig. 6 a, 6 c und 6e eingezeichnet ist. Während der Zeitabschnitte I und III erhalten die Kerne 31, 33 vonderEntmagnetisierungsschaltung gleiche Energiemengen. Während der Zeitspanne II enthält der Kern 33 mehr Entmagnetisierungsenergie als der Kern 31.

Aus der Betrachtung der in Fig. 6 a und 6 c dargestellten Kurven ist klar ersichtlich, daß weder der Kern 30 des Teiles A noch der Kern 32 des Teiles C während des Zeitabschnittes I gesättigt wird. Während des ganzen Zeitabschnittes I ändert sich der Fluß im Kern 30 infolge des durch die Arbeitswicklung 40 fließenden Stromes. Diese Flußänderung im Kern 30 induziert in der Entmagnetisierungswicklung 60 eine Spannung. In entsprechender Weise wird in der Wicklung 62 eine Spannung induziert, da sich der Fluß im Kern 32 durch den Einfluß des in der Arbeitswicklung 42 fließenden Stromes ändert. Die in der Entmagnetisierungswicklung 60 induzierte Spannung bewirkt einen Stromfluß durch die in Serie geschaltete Entmagnetisierungswicklung 61. In entsprechender Weise bewirkt die in der Entmagnetisierungswicklung 62 induzierte Spannung einen Stromfiuß in der in Serie geschalteten Wicklung 63. Es ist leicht einzusehen, daß die dem Kern 31 durch die zugeordnete Entmagnetisierungswicklung 61 zugeführte Energie und die dem Kern 33 durch die zugeordnete Entmagnetisierungswicklung 33 zugeführte Energie während des Zeitabschnittes I annähernd gleich sind.

Während des Zeitabschnittes III erhalten die Kerne 31, 33 ebenfalls ungefähr gleiche Beträge an Entmagnetisierungsenergie von den entsprechenden Entmagnetisierungswicklungen 61, 63. Aus den Fig. 6 a und 6 c ist ersichtlich, daß die Verstärkerteile A, C in ihren jeweiligen Arbeitskreisen während dieses Zeitabschnittes ein Ausgangssignal liefern. Die Kerne 30, 32 sind daher gesättigt, und die in ihnen auftretenden Flußänderungen sind daher relativ klein. Da die Flußänderungen in diesen Kernen verhältnismäßig klein sind, wird in den entsprechenden Entmagnetisierungswicklungen 60, 62 praktisch keine Spannung induziert. Da jedoch die beiden Verstärkerteile A, C eine Ausgangsspannung liefern, erscheint eine Potentialdifferenz am Widerstand 85, der in den Ausgangskreisen beider Teile liegt. Die Entmagnetisierungswicklungen 61, 63 sind in gleicher Weise parallel zum Widerstand 85 geschaltet, und daher fließen in diesen Wicklungen ungefähr gleiche Ströme. Dementsprechend werden den Kernen 31, 33 während

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des Zeitabschnittes III ungefähr gleiche Energie- Punkt 123 in Fig. 6 b dargestellt wird. Der durch die

mengen zugeführt. Steuerwicklung 53 fließende Strom I_c erzeugt im Kern

Während des Zeitabschnittes II sind die den 33 einen Fluß, der die gleiche Richtung besitzt wie Kernen 31,33 zugeführten Entmagnetisierungsenergien der Fluß, der durch den in der Entmagnetisierungsungleich. Diese ungleiche Energiezufuhr an die beiden 5 wicklung 63 fließenden Strom erzeugt wird. Da diese Kerne ist verantwortlich für die erhöhte Verstärkung beiden Ströme gleichgerichtet sind und sich dadurch der Schaltungsanordnung nach der Erfindung. Aus addieren, wird der Kern 33 mehr entsättigt als durch Fig. 6 a und 6 c ist ersichtlich, daß der Verstärker- die Wirkung eines der beiden Flüsse allein. Der Kern teil A während des Zeitabschnittes II in dem ent- 33 wird daher bis zum Punkt 124 in Fig. 6d entsprechenden Arbeitskreis ein Ausgangssignal liefert. io sättigt. Es soll hier darauf hingewiesen werden, daß Der Verstärkerteil C liefert während dieses Zeit- der Kern 33 im Teil D der Kern ist, der durch das abschnittes jedoch kein Ausgangssignal. Dies bedeutet, Steuersignal stärker entsättigt wird, und gleichzeitig daß der Kern 30 des Teiles A während des Zeit- der Kern, der dadurch stärker entsättigt wird, daß er abschnittes II gesättigt ist, während der Kern 32 des mehr Entsättigungsenergie erhält. Es ist daher leicht Teiles C noch nicht vollständig gesättigt ist. Da der 15 einzusehen, daß der Entmagnetisierungskreis das Kern 32 noch nicht gesättigt ist, fließt in der Arbeits- Steuersignal bei der Entsättigung des Kerns 33 unterwicklung 42 ein Strom, der den Fluß im Kern 32 stützt. Es soll ferner darauf hingewiesen werden, daß ändert und daher eine Spannung in der Entmagneti- die Steuerwicklung 51 im Teil B einen Fluß in dem sierungswicklung 62 induziert. Die an der Ent- zugeordneten Kern 31 erzeugt, der die Entsättigung magnetisierungswicklung 62 entstehende Spannung be- 20 im Kern 31 zu verringern strebt. Der gleiche Kern wirkt einen Stromfluß in der Entmagnetisierungs- erhält auch weniger Entsättigungsenergie. Es ist also Wicklung 63, durch den dem Kern 33 Energie zu- offensichtlich, daß die Entmagnetisierungsschaltung geführt wird. Die Entmagnetisierungswicklung 61 hier den Steuerkreis darin unterstützt, den Kern 33 liegt parallel zum Widerstand 85. Da der Widerstand im Teil B des Verstärkers weniger zu entsättigen.
85 in Serie mit den Wicklungen 62, 63 geschaltet ist, 25 Unter der Annahme, daß die Polarität an den fließt der durch die in der Wicklung 62 induzierte Klemmen 86 wie in Fig. 4 eingezeichnet ist, arbeitet Spannung erzeugte Strom auch durch den Widerstand der Verstärker in der nächsten Halbwelle ent-85. Dies bewirkt, daß ein Strom durch die Entmagneti- sprechend. Während der nächsten Halbwelle arbeiten sierungswicklung 61 fließt und dem Kern 31 eine ge- die Verstärkerteile B, D im Sättigungsintervallund die wisse Energie zugeführt wird. Es ist jedoch leicht 30 Teilet, C im Entsättigungsintervall. Während dieser einzusehen, daß der Betrag der dem Kern 31 zu- Halbwelle werden die den Teilend, C zugeordneten geführten Energie verhältnismäßig klein ist, verglichen Kerne 30, 32 in einer Weise entmagnetisiert, die der mit dem Betrag der dem Kern 33 zugeführten Energie. Entmagnetisierung der Verstärkerteile B, D in der Im ganzen Zeitabschnitt II liefert der Teil A in seinem vorangegangenen Halbwelle entspricht. Der Verden Widerstand85 enthaltenden Ausgangskreis ein 35 stärkerteü B arbeitet im Sättigungsintervall. Der Kern Ausgangssignal. Da die Entmagnetisierungswick- 31 dieses Teiles war im vorhergegangenen Entsättilungen 61, 63 in gleicher Weise dem Widerstand 85 gungsintervall nur wenig entsättigt worden. Der Teil B parallel geschaltet sind, erhalten die Kerne 31, 33 je- liefert daher einen verhältnismäßig großen Ausgangsweils gleiche Entmagnetisierungsenergien aus dieser impuls am Widerstand 90 entsprechend der Kurve in Quelle während des Zeitabschnittes II. 4° Fig. 6 a. Der Verstärkerteil D arbeitet auch im Sätti-

Faßt man die Zeitabschnitte I, II und III zusammen, gungsintervall. Der Kern 33 des Teiles D war jedoch so ist festzustellen, daß die Kerne 31, 33 während im vorhergegangenen Entsättigungsintervall weitder Zeitabschnitte I, III gleiche Beträge an Rückstell- gehend entsättigt worden. Dementsprechend lieferte energie erhalten. Während des Zeitabschnittes II er- dieser Teil einen verhältnismäßig kleinen Ausgangshält der Kern 33 jedoch mehr Entmagnetisierungs- 45 impuls am Widerstand 92 entsprechend der Kurve in energie als der Kern 31. Der resultierende Effekt Fig. 6 c. An den Klemmen 95 in Fig. 4 erscheint die während der drei Zeitabschnitte besteht also darin, Differenz zwischen dem Impuls am Widerstand 90 daß der Kern 33 etwas mehr Entmagnetisierungs- und dem Impuls am Widerstand 92 entsprechend energie erhält als der Kern 31. Die Wirkung dieser Fig. 6 e.

ungleichen Beträge an Entmagnetisierungsenergie 50 Der zweite Betriebszustand, der betrachtet werden kann am besten aus Fig. 6 b ersehen werden, die die soll, liegt vor, wenn den Eingangsklemmen 86 kein Hysteresisschleife des Kerns 31 zeigt, und aus Fig. 6 d, Eingangssignal zugeführt wird. Unter diesen Umdie die Hysteresisschleife des Kerns 33 zeigt. Da der ständen erscheint auch kein Ausgangssignal, d. h., Kern 33 des Verstärkerteiles D mehr Entmagneti- beim Eingang Null ist auch der Ausgang Null. In sierungsenergie erhält, wird dieser Kern bis zum Punkt 55 diesem Falle bewirken weder der Steuerkreis noch 122 in Fig. 6 d entmagnetisiert. Der Kern 31 des Ver- der Entmagnetisierungskreis eine ungleiche Entstärkerteiles B erhält den kleineren Betrag an Ent- Sättigung der Kerne. Da ein für ein Ausgangssignal magnetisierungsenergie und wird daher nur bis zum notwendiger Unterschied zwischen den an den WiderPunkt 121 in Fig. 6 b entsättigt. ständen 90, 92 auftretenden Impulsen nicht vorhanden

Bei der gerade untersuchten ersten Arbeitsbedingung 60 ist, tritt auch an den Klemmen 95 kein Ausgangssoll das Potential an den Klemmen 86 die dargestellte signal auf. Bei fehlendem Eingangssignal fließt in den Polarität besitzen. Dementsprechend erzeugt der Steuerwicklungen 50, 51, 52, 53 kein Strom. Demdurch die Steuerwicklung 51 fließende Strom I_c im entsprechend entsteht auch kein Fluß, der andere Kern 31 einen Fluß, der dem entgegengerichtet ist, Flüsse in den Kernen unterstützen oder behindern der durch den durch die Entmagnetisierungswicklung 65 könnte, um den Gegentakteffekt zu erzielen. Die 61 fließenden Strom erzeugt wird. Da diese Flüsse Kerne der beiden Stufen, die normalerweise im Gegenentgegengesetzte Richtungen besitzen, ergibt sich eine takt arbeiten wie die Teilet und C, werden in ihren geringere Entsättigung im Kern 31, wie durch den Entsättigungsintervallen gleich stark entsättigt. Im

darauffolgenden Sättigungsintervall benötigen beide Kerne dieselbe Zeit, um. den Sättigungszustand zu erreichen. Der vom Verstärkerteil A am Widerstand 90 erzeugte Ausgangsimpuls ist in Fig. 7 a dargestellt, während Fig. 7 b den Impuls zeigt, den der Verstärkerteil C am Widerstand 92 erzeugt. Da diese Impulse praktisch gleich sind, ist die an den Klemmen 95 auftretende Differenz gleich Null. Man beachte, daß in den Fig. 7 a und 7 b nur zwei Zeitabschnitte vorhanden sind, nämlich der Zeitabschnitt I, in dem keiner der beiden Kerne gesättigt ist, und der Zeitabschnitt III, in dem beide Kerne gesättigt sind. Während der Zeitabschnitte I und III erhalten also beide Kerne gleiche Entmagnetisierungsenergien. Der Zeitabschnitt II, währenddem der eine Kern schon gesättigt ist, während es der andere noch nicht ist, ist jetzt nicht mehr vorhanden. Nur in diesem Zeitabschnitt II kann eine ungleiche Magnetisierung bzw. Entmagnetisierung stattfinden. Wenn also kein Eingangssignal an den Klemmen 86 liegt, erhalten der Kern 31 des Teiles B und der Kern 33 des Teiles D gleiche Energiemengen während der Rückstell- oder Enfmagnetisierungsintervalle.

Der dritte der betrachteten Betriebszustände liegt dann vor, wenn die Polarität des Eingangssignals gegenüber der umgekehrt ist, die an den Klemmen 86 in Fig. 4 angegeben ist. In diesem Falle erzeugt der durch das Eingangssignal bewirkte Stromfluß in den Kernen 32, 33 einen magnetischen Fluß, der dem durch den Strom in denEntmagnetisierungswicklungen erzeugten Fluß entgegengerichtet ist und nicht wie im ersten Falle in den Kernen 30, 31. In entsprechender Weise addieren sich die Flüsse in den Kernen 30, 31 anstatt in den Kernen 32, 33. Der größere Impuls tritt daher am Widerstands und der kleinere am Widerstand 90 auf; die Verhältnisse liegen also gerade umgekehrt, und das Ausgangssignal an den Klemmen 95 kehrt seine Polarität um.

Im folgenden soll noch etwas genauer auf die Verhältnisse eingegangen werden, die die Erhöhung des Verstärkungsgrades und der Empfindlichkeit der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung bewirken. Es war bereits weiter oben erwähnt worden, daß im Falle eines verschwindenden Eingangssignals an den Klemmen 86 an den Klemmen 95 kein Ausgangssignal auftritt. Wenn an den Klemmen 86 ein Eingangssignal mit der in Fig. 4 angezeichneten Polarität auftritt, ergeben sich Verhältnisse, wie in den Kurven der Fig. 6 a bis 6e dargestellt ist. Die Addition und Subtraktion der durch die Steuerwicklungen induzierten Flüsse ergibt Ausgangsimpulse verschiedener Dauer, wie in Fig. 6 a und 6 c dargestellt ist. Die unterschiedliche Größe dieser beiden Impulse führt zu einem Ausgangssignal, wie es in Fig. 6e dargestellt ist. Wenn die Größe des an den Klemmen 86 liegenden Eingangssignals zunimmt, nimmt auch der Größenunterschied zwischen den in Fig. 6 a und 6 c dargestellten Impulsen zu. Dementsprechend wird auch der in Fig. 6e dargestellte Impuls größer. Die Entmagnetisierungsschaltung gemäß der Erfindung bewirkt bei größer werdendem Eingangsimpuls auch ein Größerwerden des Ausgangsimpulses. Die Entmagnetisierungsschaltung bewirkt dies dadurch, daß die Differenz der Entmagnetisierungs- oder Rückstellpunkte der beiden im Gegentakt arbeitenden Kerne vergrößert wird, wie in Verbindung mit Fig. 6 b und 6d erläutert worden ist. Dementsprechend vergrößert sich der Unterschied in den Ausgangsimpulsen der einzelnen Stufen oder Teile, und der endgültige Ausgangsimpuls wird größer. Es ist ersichtlich, daß Unterschiede der Rückstell- oder Entmagnetisierungspunkte, die durch die Entmagnetisierungskreise eingestellt werden, proportional zu den Eingangssignalen sind. Dies beruht darauf, daß der Zeitabschnitt II von der Größe des Eingangssignals abhängt. Der Unterschied der den einzelnen Kernen zu deren Entmagnetisierung zugeführten Energie hängt von der

ίο Dauer des Zeitabschnittes II ab. Dementsprechend hängt auch die Erhöhung der Impulsgröße, die auf die Wirkungsweise der Entmagnetisierungsschaltung beruht, von der Größe des Eingangssignals ab. Es ist daher leicht einzusehen, daß sich eine lineare Ver-Stärkung ergibt.

Es ist bereits darauf hingewiesen worden, daß bei einem Vollweg-Gegentaktmagnetverstärker eine gewisse Erhöhung des Verstärkungsfaktors dadurch eintritt, daß die Steuerwicklungen so geschaltet sind, daß sie die beiden Hälften des Verstärkers in entgegengesetzter Richtung aussteuern. Es ist ersichtlich, daß bei der Anwendung der Erfindung durch eine Verringerung des Widerstandes des Entmagnetisierungskreises bei gleichbleibender Windungszahl der Entmagnetisierungswicklungen der Wirkungsgrad der Energiekopplung zwischen den Kernen durch die Entmagnetisierungswicklungen erhöhtwird, da weniger Energie im Widerstand verlorengeht. Mit anderen Worten wird bei Verringerung des Widerstandes des Entmagnetisierungskreises bei einer gegebenen induzierten Spannung in den Entmagnetisierungswicklungen ein größerer Strom fließen. Der Entmagnetisierungskreis ist natürlich mit der Steuerwicklung über die Kerne des Verstärkers magnetisch gekoppelt. Das Steuersignal sieht daher den Widerstand des Entmagnetisierungskreises parallel zu den entmagnetisiert werdenden Kernen, so daß eine Verringerung des Widerstandes des Entmagnetisierungskreises den Wirkungsgrad der Steuersignalwirkung herabsetzt, der oben bei der differentiellen Entmagnetisierung der Kerne beschrieben wurde. Es ist klar, daß beim Entwurf einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung und bei Verwendung der beschriebenen Konfiguration diese beiden Effekte in Rechnung gesetzt werden müssen, wenn man die Parameter der Schaltungsanordnung festlegt.

Fig. 8 zeigt einen typischen Zusammenhang zwischen dem Verstärkungsgrad, der auf der Ordinate aufgetragen ist, und dem auf der Abszisse logarithmisch aufgetragenen Parameter (N_b)VR_b; dabei bedeutet N_b die Windungszahl der Entmagnetisierungswicklung und R_b den effektiven Widerstand des Entmagnetisierungskreises. Man sieht, daß links vom Maximum der Kurve eine Erhöhung des Parameters (N_b)VR_b beispielsweise entsprechend einer Verringerung des Widerstandes R_b eine Erhöhung des Verstärkungsfaktors mit sich bringt. In diesem Bereich nimmt der Wirkungsgrad, mit dem die Energie zwischen den Entmagnetisierungswicklungen gekoppelt wird, schneller zu, als der Wirkungsgrad des Einflusses des Steuersignals auf die obenerwähnte unterschiedliche Verschiebung der Entmagnetisierung abnimmt. Dies gilt, bis das Maximum erreicht ist, nach dessen Oberschreiten eine weitere Vergrößerung von (W₆)²AR₆ den Verstärkungsfaktor des Verstärkers im Effekt wieder verringert, da in diesem oberen Bereich der Wirkungsgrad des Steuersignals auf die differentielle Entmagnetisierung schneller abnimmt, als der Wirkungs-

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Magnetverstärker mit zwei in Gegentakt geschalteten Vollwellenteilen, die Magnetkerne mit Steuer-, Arbeits- und Entmagnetisierungswicklungen enthalten, wobei die Entmagnetisierungswicklungen jedes Vollwellenteiles hintereinandergeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die hintereinandergeschalteten Entmagnetisierungswicklungen (60, 61 bzw. 62, 63) der beiden VoIlwellenteile (80, 82) einander parallel geschaltet sind.

2. Magnetverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand des die Entmagnetisierungswicklungen enthaltenden Kreises so klein bemessen ist, daß der Verstärkungsgrad optimal ist.

3. Magnetverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitswicklungen (40, 41 bzw. 42, 43) der VoHweüenteile einerseits an die äußeren Klemmen zweier hintereinandergeschalteter Widerstände (90, 92) und andererseits an die äußeren Klemmen (26, 27) einer Transformatorwicklung mit Mittelabgriff (29) angeschlossen sind und daß die hintereinandergeschalteten Entmagnetisierungswicklungen (60, 61 bzw. 62, 63) beider Vollwellenteile (80, 82) parallel an einen dritten Widerstand (85) angeschlossen sind, der zwischen den Verbindungspunkt der beiden erstgenannten Widerstände (90, 92) und den MittelabgrifE (29) der Transformatorwicklung geschaltet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

USA.-Patentschrift Nr. 2820156;
Zeitschrift »Electrical Engineering«, September 1953, S. 791 bis 795, insbesondere S. 795, Fig. 25.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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