DE1239775B

DE1239775B - Device for applying current pulses to a consumer

Info

Publication number: DE1239775B
Application number: DE1958L0030531
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Heinz Carl; Dr-Ing Heinz-Guenter Lott; Dr-Ing Hans-Ludwig Rath
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1958-06-03
Filing date: 1958-06-03
Publication date: 1967-05-03

Description

Vorrichtung zur Beaufschläg°ung eines-Verbrauchers mit Stromimpulsen In der Technik werden häufig hohe Impulsströme gefordert, die - beispielsweise in der Radartechnik mittels Laufzeitketfen unter großem Aufwand erzengf werden. Es sind für Gleichrichteranlagen mit Verbräuchern, die mit großen niedergespannten Gleichströmen gespeist werden müssen, bereits Transför= matoren bekannt, deren Kerne jeweils von einem einphasigen Fluß durchsetzt sind und die jeweils eine einer Wechselstromphase zugeordnete Verbrauchergruppe speisen. Die Primärwicklung eines derartigen Transformators umgibt den Kern und ist ihrerseits von der Hochstrorii führenden Sekundärwicklung umgeben, die als doppelmantelige Hülle ausgebildet ist und aus konzentrischen Rohrleitern besteht. Der Zweck derartiger Transformatoren besteht darin, die Zahl und Länge der Verbindungsleitungen und Kontaktstellen in den Hochstromwicklungen wegen der dort auftretenden hohen Verluste möglichst zu reduzieren.Device for applying current pulses to a consumer In technology, high pulse currents are often required, which - for example in radar technology can be achieved with great effort using runtime chains. It are for rectifier systems with consumers that are low voltage with large Direct currents have to be fed, already known transformers, their cores are each traversed by a single-phase flow and each one of an alternating current phase the assigned consumer group. The primary winding of such a transformer surrounds the core and is in turn from the secondary winding leading to the Hochstrorii surrounded, which is designed as a double-jacketed shell and made of concentric pipelines consists. The purpose of such transformers is to increase the number and length the connecting lines and contact points in the high-current windings because of the to reduce the high losses occurring there as far as possible.

Zur Erzeugung von Spannungsimpulsen mit möglichst steilen Flanken, die zur Zündung von gittergesteuerten Entladungsstfecken dienen, ist es bekannt, den Primärkreis eines sättigbaren Transformators mittels einer Hilfsentladungsstrecke zu zünden, so daß während der Ummagnetisierungszeit des Transformatorkerns ein Spannungsimpuls mit steilen Flanken in die Sekundärwicklung induziert wird: Bei den zum Zünden einer Entladungsstrecke erforderlichen geringen Strömen braucht auf die konstruktive Gestaltung des Sättigungstransformators kein Wert gelegt zu werden.To generate voltage pulses with the steepest possible edges, which are used to ignite grid-controlled discharge points, it is known the primary circuit of a saturable transformer by means of an auxiliary discharge path to ignite, so that a voltage pulse during the magnetization reversal of the transformer core is induced with steep flanks in the secondary winding: In the case of the ignition of a Discharge path required low currents needs on the structural design of the saturation transformer is of no importance.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbraucher möglichst verlustfrei mit hohen Impulsströmen großer Flankensteilheit, die mittels eines über eine steuerbare Gleichrichteranordnung mit Wechselspannung gespeisten Sättigungstransformators erzeugt werden, zu beaufschlagen.The invention is based on the object of a consumer as possible Loss-free with high pulse currents with a large edge steepness, which by means of an over a controllable rectifier arrangement with alternating voltage fed saturation transformer are generated to act on.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein oder mehrere runde oder eckige Ringkerne, bestehend aus ferromagnetischem Material mit angenähert rechteckförmiger Magnetisierungsschleife, mit den darauf befindlichen Primärwicklungen von einem geschlossenen Gehäuse umgeben sind, das eine flächenhafte Sekundärwicklung bildet, und daß der zu beaufschlagende Verbraucher innerhalb dieses Gehäuses untergebracht ist und durch Anschluß an zwei gegenüberliegende Teile der Innenwand des Gehäuses den Stromkreis der Sekundärwicklung schließt.This object is achieved according to the invention in that one or several round or square toroidal cores, consisting of ferromagnetic material with approximately rectangular magnetization loop, with the ones on it Primary windings are surrounded by a closed housing, which has an areal Secondary winding forms, and that the load to be acted upon within this Housing is housed and connected to two opposite parts of the Inner wall of the housing closes the circuit of the secondary winding.

Die Ringkerne der Vorrichtung können koaxial übereinander oder koaxial in einer Ebene angeordnet sein. Das ferromagnetische Material der Ringkerne weist eine Hysteresiskurve mit sehr steilen, nahezu senkrechten Flanken auf (z. B.-Hyperm 50 T).The toroidal cores of the device can be coaxial one above the other or coaxial be arranged in one plane. The ferromagnetic material of the toroidal cores has a hysteresis curve with very steep, almost vertical flanks (e.g. Hyperm 50 T).

Die induzierte Spannung im Sekundärkreis wird durch die mögliche, auf Grund der Hysteresiskurve konstante magnetische Flußänderung (02-0,) bestimmt; denn durch die ideale Betrachtung sind die Flanken der Hysteresiskurve geradlinig, d. h. und entsprechend dem Induktionsgesetz so daß auch d T = const ist: -_ Im Sekundärkreis wird nur eine Spannung induziert während der Zeit der magnetischen Floßänderung im Primärkreis, d. h. in der Zeit d T, in der eine magnetische Flußänderung gegeben ist, Die Primärseite der Vorrichtung wird über eine steuerbare Gleichrichteranordnung gespeist. Als steuerbare -Gleichrichteranordnung können Anordnungen mit Gasentladungsstrecken oder Halbleiterstrecken sowie auch mechanische Schalter verwendet werden. Durch die über den steuerbaren Gleichrichter freigegebene Stromhalbwelle wird der Kern ummagnetisiert. Für die Ummagnetisierung ist zeitlich nur ein kleiner Teil der Halbwelle erforderlich, so daß auf der Sekundärseite ein kurzzeitig hoher Stromimpuls erzeugt wird. An Hand der F i g. 1 und 2 wird die bekannte Methode der Impulserzeugung mittels steuerbarer Gleichrichter bzw. Entladungsstrecken und sättigbarer Transformatoren, an Hand der F i g. 3 die Vorrichtung gemäß der Erfindung erläutert. Die Hysteresiskurve des benutzten ferromagnetischen Materials ist in F i g. 1 dargestellt. F i g. 2 zeigt den idealisierten Stromverlauf der Primärwicklung und F i g. 3 den Aufbau der Vorrichtung.The induced voltage in the secondary circuit is determined by the possible, due to the hysteresis curve, constant magnetic flux change (02-0,); because through the ideal view the flanks of the hysteresis curve are straight, ie and according to the law of induction so that also d T = const: -_ In the secondary circuit only a voltage is induced during the time of the magnetic flux change in the primary circuit, ie in the time d T in which there is a magnetic flux change. The primary side of the device is controlled via a Rectifier arrangement fed. As a controllable rectifier arrangement, arrangements with gas discharge paths or semiconductor paths as well as mechanical switches can be used. The core is remagnetized by the current half-wave released by the controllable rectifier. Only a small part of the half-wave is required for the remagnetization, so that a briefly high current pulse is generated on the secondary side. On the basis of FIG. 1 and 2, the known method of generating pulses by means of controllable rectifiers or discharge paths and saturable transformers is illustrated with reference to FIGS. 3 explains the device according to the invention. The hysteresis curve of the ferromagnetic material used is shown in FIG. 1 shown. F i g. 2 shows the idealized current curve of the primary winding and F i g. 3 shows the structure of the device.

Durch eine Vormagnetisierung wird der Zustandspunkt 1 in der Hysteresiskurve der F i g. 1 erreicht. Nach der Entmagnetisierung, d. h. wenn der Magnetisierungsstrom Null ist, wird der Zustandspunkt 3 erreicht, an dem sich das ferromagnetische Material im »negativen« Remanenzpunkt, welcher zugleich Ausgangspunkt ist, befindet.A premagnetization makes the state point 1 in the hysteresis curve the F i g. 1 reached. After demagnetization, i. H. when the magnetizing current Is zero, the state point 3 is reached, at which the ferromagnetic material in the "negative" remanence point, which is also the starting point.

Der in den Primärkreis geschaltete steuerbare Gleichrichter zündet zu einem bestimmten Zeitpunkt, so daß die freigegebene Halbwelle den Kern ummagnetisieren kann. In der Hysteresiskurve wandert der Zustandspunkt mit steigendem Strom von 3 nach 4, von 4 nach 4' und von 4' nach 5. Nur zwischen den Punkten 4 und 4' erfolgt eine magnetische Flußänderung. Im Punkt 4' ist der Sättigungszustand des ferromagnetischen Materials erreicht, so daß keine magnetische Flußänderung mehr auftreten kann, wenn auch der Strom noch weiter ansteigt. Das Zeitintegral f Udt ist konstant und erforderlich, um den Kern umzumagnetisieren.The controllable rectifier connected to the primary circuit ignites at a certain point in time so that the released half-wave can remagnetize the core. In the hysteresis curve, the state point moves with increasing current from 3 to 4, from 4 to 4 'and from 4' to 5. Only between points 4 and 4 ' is there a change in magnetic flux. At point 4 ' the saturation state of the ferromagnetic material is reached, so that no change in magnetic flux can occur if the current increases even further. The time integral f Udt is constant and necessary to re-magnetize the core.

F i g. 2 zeigt die vom steuerbaren Gleichrichter, beispielsweise einem Ignitron, zum Zeitpunkt 3 freigegebene Halbwelle der Wechselspannung. F ist die Fläche des Zeitintegrals. Der Magnetisierungsvorgang ist vom Zeitintegral der Spannung abhängig, so daß mit geringeren Spannungen die Impulszeit d T größer wird, und umgekehrt.F i g. 2 shows the half-wave of the alternating voltage released by the controllable rectifier, for example an Ignitron, at time 3. F is the area of the time integral. The magnetization process is dependent on the time integral of the voltage, so that the pulse time d T increases with lower voltages, and vice versa.

Werden die Hysteresiskurve in F i g. 1 und der idealisierte Stromverlauf in F i g. 2 zusammen betrachtet, so ergibt sich, daß der »negative« Remanenzpunkt 3 der Hysteresiskurve zugleich der Einschaltpunkt 3 in der idealisierten Stromkurve ist. Von 3 nach 4 steigt der Strom an, ohne eine magnetische Flußänderung zu bewirken. Zwischen den Punkten 4 und 4' geht kurzzeitig die Ummagnetisierung des ferromagnetischen Materials vor sich, so daß in der Zeit d T eine konstante magnetische Flußänderung gegeben ist, während bei weiterem Anstieg des Stromes von 4' nach 5 infolge der im Zustandspunkt 4' erreichten magnetischen Sättigung keine weitere magnetische Flußänderung auftritt. Bei Verringern des Stromes bis Null wird der Zustandspunkt 3', der »positive« Remanenzpunkt, erreicht.If the hysteresis curve in FIG. 1 and the idealized current curve in FIG. Considering 2 together, the result is that the "negative" remanence point 3 of the hysteresis curve is also the switch-on point 3 in the idealized current curve. From 3 to 4 the current increases without causing a change in magnetic flux. Between points 4 and 4 ' the magnetization reversal of the ferromagnetic material takes place for a short time, so that in time d T there is a constant change in magnetic flux, while if the current continues to rise from 4' to 5, this is due to the magnetic flux reached at point 4 ' Saturation no further change in magnetic flux occurs. When the current is reduced to zero, the state point 3 ', the "positive" remanence point, is reached.

Durch einen zweiten steuerbaren Gleichrichter kann auch die negative Halbwelle gezündet werden, so daß der Vorgang in umgekehrter Richtung und auch periodisch durchgeführt werden kann.A second controllable rectifier can also reduce the negative Half-wave are ignited, so that the process in reverse direction and also periodically can be carried out.

Auf der Sekundärseite der Vorrichtung werden gewünschte kurzzeitige Stromimpulse extrem hoher Amplitude erzeugt. Beispielsweise wurden bei einer Gesamtabmessung der Vorrichtung von 330 mm Höhe und 220 mm Durchmesser Stromimpulse bis 20 kA und einer Impulsdauer bis 5 Millisekunden erreicht.On the secondary side of the device are desired short-term Generated current pulses of extremely high amplitude. For example, in the case of an overall dimension the device of 330 mm height and 220 mm diameter current pulses up to 20 kA and a pulse duration of up to 5 milliseconds.

Auf Grund der konstanten magnetischen Flußänderung ( ä0 - const) ist die induzierte Spannung auf der Sekundärseite und somit auch der durch dieselbe erzeugte Strom konstant, d. h., es wird in der Sekundärwicklung ein Rechteck-Stromimpuls erzeugt, wobei das Übersetzungsverhältnis 1, - w, = J2 - w2 ist.Due to the constant change in magnetic flux ( ä0 - const), the induced voltage on the secondary side, and thus also the current generated by it, is constant, ie a square-wave current pulse is generated in the secondary winding, with the transformation ratio 1, - w, = J2 - w2 is.

Das im Vorigen beschriebene Verfahren zur Impulserzeugung ist an sich bekannt. Die bekannten Schaltungen dienen zur Erzeugung von Spannungsimpulsen mit möglichst steilen Flanken, die insbesondere zur Zündung von Entladungsstrecken dienen, wobei nur geringe Ströme fließen.The method of pulse generation described above is in itself known. The known circuits are used to generate voltage pulses with steepest possible flanks, which are used in particular to ignite discharge paths, with only small currents flowing.

In F i g. 3 ist der erfindungsgemäße Aufbau der Anordnung zum Beaufschlagen eines Verbrauchers mit Stromimpulsen dargestellt. Die Primärwicklungen 10 umgeben einen Ringkern 30, der aus einem oder mehreren koaxial übereinander angeordneten Ringkernen besteht. Die Sekundärwicklung 20 besteht aus einem doppelwandigen Becher, bei dem der Verbraucher 40 zwischen den beiden Bodenwänden, und zwar rotationssymmetrisch an die beiden Bodenwände des Metall- (vorzugsweise Kupfer-) Gehäuses elektrisch angeschlossen ist. Der Ringkern aus ferromagnetischem Material mit den Primärwicklungen befindet sich zwischen den zylindrischen Wandungsteilen. Durch diese Anordnung verlaufen keine Stromzuführungen nach außen, so daß der sekundäre Stromkreis induktivitätsarm und seine Zeitkonstante sehr klein ist.In Fig. 3 shows the structure according to the invention of the arrangement for applying current pulses to a consumer. The primary windings 10 surround a toroidal core 30, which consists of one or more toroidal cores arranged coaxially one above the other. The secondary winding 20 consists of a double-walled cup in which the consumer 40 is electrically connected between the two bottom walls, specifically rotationally symmetrically, to the two bottom walls of the metal (preferably copper) housing. The toroidal core made of ferromagnetic material with the primary windings is located between the cylindrical wall parts. With this arrangement, no power supply lines run to the outside, so that the secondary circuit is low in inductance and its time constant is very small.

Mittels des aus Einzelkernen bestehenden und damit variablen Ringkernes ist es möglich, über die Induktivität die induzierte Spannung zu beeinflussen, während über die angelegte Spannungsamplitude die Impulsdauer beeinflußt werden kann.By means of the toroidal core consisting of individual cores and therefore variable it is possible to influence the induced voltage via the inductance while the pulse duration can be influenced via the applied voltage amplitude.

Bei einem Verbraucher, der in beiden Richtungen Strom zu führen vermag, kann über zwei steuerbare Gleichrichter der Vorgang periodisch in der positiven und negativen Halbwelle vorgenommen werden.In the case of a consumer that can carry electricity in both directions, the process can be periodically positive via two controllable rectifiers and negative half-wave can be made.

Die Strommessungen werden über eine Gegeninduktivität mit nachfolgendem Integrierglied vorgenommen, wobei die Gegeninduktivität rotationssymmetrisch in die Vorrichtung eingebaut ist.The current measurements are made via a mutual inductance with the following Integrating member made, the mutual inductance rotationally symmetrical in the device is installed.

Die Vorrichtung zum Beaufschlagen eines Verbrauchers mit Stromimpulsen kann vielseitige Anwendung finden, z. B. zur Erzeugung von Gasentladungen extrem hoher Stromdichte, die unter Mitwirkung des PintschefEektes verlaufen, außerdem zur Erzeugung von geschmolzenen Zonen im Inneren von Halbleiterkörpern (tiegelloses Schmelzen) und auch für Meßzwecke, beispielsweise für die Aufnahme von Strom-Spannungs-Kennlinien von elektrisch unsymmetrisch leitenden Systemen im Bereich extrem hoher Stromstärken.The device for applying current pulses to a consumer can be used in many ways, e.g. B. extreme for the generation of gas discharges high current density, which run with the help of the PintschefEektes, as well for generating melted zones inside semiconductor bodies (crucible-free Melting) and also for measuring purposes, for example for recording current-voltage characteristics of electrically asymmetrically conductive systems in the area of extremely high currents.

Claims

Claims: 1. Device for loading a consumer with current pulses by means of a controllable rectifier arrangement with AC voltage fed saturation transformer, characterized in that one or more round or angular toroidal cores, consisting of ferromagnetic material with an approximately rectangular magnetization loop, with the ones on it Primary windings are surrounded by a closed housing, which has an areal Secondary winding forms, and that the load to be acted upon within this Housing is housed and connected to two opposite parts of the Inner wall of the housing closes the circuit of the secondary winding.

2. Device according to claim 1 with several toroidal cores, characterized in that the cores are coaxial are arranged one above the other or coaxially in one plane.

3. Device according to claim 2, characterized in that the housing is in the form of a double-walled Bechers has, in which the consumer is placed between the bottom walls and on this is electrically connected, while the toroid or cores in the space between the cylindrical wall parts are arranged.

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the straight connecting line between the centers of the Connection surfaces of the consumer run parallel to the axis of the toroidal core (s), preferably coincides with her. Publications considered: German Patent Nos. 646 551, 725 547, 911290, 925119; German interpretative document no. 1003 849; Swiss Patent No. 305 835; French additional patent specification No. 67 593 (7th amendment to French patent specification No. 999 500); Book by E. Rolf: "Der Kontaktumformer", 1957, p. 176.