DE1277333B - Schaltungsanordnung zum raschen Aufbau und zur stromsparenden Aufrechterhaltung des Magnetfeldes von Spulen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H 03 k

Deutsche Kl.: 21 al-36/18

Nummer: 1277 333

Aktenzeichen: P 12 77 333.0-31 (S 98278)

Anmeldetag: 16. Juli 1965

Auslegetag: 12. September 1968

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung raschen Aufbau und zur Stromsparendan Aufrechterhaltung des Magnetfeldes von Spulen, beispielsweise zur magnetischen Umschaltung von Hohlleiterverzweigungen für Mikrowellen, mit einer Magnetfeldspule, zu deren Stromversorgung zwei verschiedene Stromkreise vorgesehen sind, nämlich ein Einschalt- oder Erregerstromkreis mit einer ersten Spannungsquelle vergleichsweise höherer Quellenspannung und ein Haltestromkreis mit einer zweiten Stromquelle vergleichsweise geringerer Quellenspannung, welche beide mit elektronischen Schaltern in Verbindung stehen und, beispielsweise periodisch durch programmierte Signale gesteuert, den vorgegebenen Stromverlauf für die Spule erzeugen.

Die bisher bekannten Schaltungsanordnungen zur raschen elektronischen Impulssteuerung von Elektromagneten haben grundsätzlich die Aufgabe, den Eftschaltvorgang möglichst kurz zu halten, jedoch nach dem Aufbau des Magnetfeldes möglichst wenig Energie zu verbrauchen. Beide Forderungen widersprechen einander, weil die für die Einschaltverzögerung verantwortliche Zeitkonstante, nämlich das Verhältnis der Induktivität L zum vorhandenen Vorwiderstand R zum raschen Aufbau des Magnetfeldes möglichst klein und infolgedessen der Widerstand R möglichst groß sein soll. Das bedeutet jedoch hohe Stromverluste am Widerstand R auch während der Aufrechterhaltung des Magnetfeldes. Für diesen Zustand kann die Stromstärke sogar in der Regel herabgesetzt werden. Zu diesem Zweck sind Schaltungsanordnungen bekannt, bei denen zur Impulssteuerung des Elektromagneten ein Sperrschwingkreis dient, der zu betätigende Elektromagnet selbst als Transformator für den Sperrschwingkreis ausgebildet ist und die zur Erregung notwendige Feldenergie während des Ansprechvorganges aus einem Speicherkondensator entnommen wird, welcher sich in den Ruhezeiten jeweils auf seinen vollen Spannungswert aufladen kann. Als Steuerelement dient ein Transistor mit einer Diode, so daß man bei dieser Schaltung mit weniger Schaltelementen auskommt, als bei solchen Schaltungen, deren monostabiler Sperrschwinger zur Steuerung zwei Transistoren benötigt.

Bei einer anderen, bereits bekannten Schaltung wird ein steuerbarer Siliziumgleichrichter in Reihenschaltung mit der induktiven Last und einem Verzögerungsglied stromleitend geschaltet und dadurch ein zwischen die induktive Last und das Verzögerungsglied angeschalteter Speicherkondensator kurzzeitig entladen und zur Abgabe einer hohen Stromstärke gezwungen.

Schaltungsanordnung zum raschen Aufbau
und zur stromsparenden Aufrechterhaltung
des Magnetfeldes von Spulen

Anmelder:

Sociote Alsacienne de Constructions Atomiques

de Telecommunications

et d'Electronique ALCATEL, Paris

Vertreter:

Dr.-Ing. A. v. Kreisler, Dr.-Ing. K. Schönwald,

Dr.-Ing. Th. Meyer

und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. J.-F. Fues,

Patentanwälte, 5000 Köln 1, Deichmannhaus

Als Erfinder benannt:
Georges Ren6 Couanault,
Couturier ä Vitry sur Seine;
Jean Maurice Francois Saquet, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 17. Juli 1964 (982 153)

Eine andere und wesentlich elegantere Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, zwei verschiedene Spannungsquellen in der Weise miteinander zu kornbinieren, daß die Spannungsquelle mit dem höheren Potential den Strom zum Aufbau des Magnetfeldes liefert und anschließend die andere Spannungsquelle mit einem geringeren Potential das Magnetfeld aufrechterhält. Eine bekannte Schaltung dieser Art macht sich die Tatsache nutzbar, daß der exponentielle Stromanstieg beim Aufbau des Magnetfeldes der angelegten Gleichspannung proportional ist. Zu diesem Zweck sind bei der bekannten Schaltung die beiden Spannungsquellen in Serie zueinander geschaltet und die betreffenden Stromkreise durch nichtlineare elektrische Widerstände abwechselnd gesperrt, wobei vorzugsweise eine Zenerdiode in zwei verschiedenen Durchlaßrichtungen arbeitet und zwei durch Kippschwingerkreise steuerbare Transistoren in Reihe an das Summenpotential der beiden Spannungsquellen angeschaltet sind. Mit HiUe einer Kippstufe wird einer der beiden Transistoren stromdurch-

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lässig geschaltet, und sobald im induktiven Verbrau- verhältnismäßig langer Zeit erreichen. Der mit B becher der Nennstrom erreicht ist, schaltet eine andere zeichnete Kurvenpunkt entspricht etwa demjenigen Kippstufe den zuvor eingeschalteten zweiten Tran- Stromwert J₀, der sich nach einiger Zeit t = T₀ einsistor aus, so daß die am induktiven Verbraucher stellt, wenn T₀ zahlenmäßig etwa dem Wert der so-

wirksame Spannung herabgesetzt und damit der auf- 5 ~ .^₁ . . L , „. . . , genommene Strom begrenzt wird. Die bekannte g^enannten »Zeitkonstante« _Ύ des Stromkreises nach Schaltung eignet sich damit zum raschen Einschalten F i g. 1 entspricht. Die Nachteile dabei sind einmal, einer magnetischen Kupplung, sie hat jedoch den daß der Kurvenanstieg A über die Zeit T₀ verzögert Nachteil, daß ein eindeutig definiertes Massepotential verläuft, und zum anderen ein über den Stromwert I₀ fehlt. Man kann zwar eine der beiden Spannugs- io noch weiter ansteigender Spulenstrom, der eine unquellen oder auch deren gemeinsamen Verbindungs- nötige Belastung der Stromquelle darstellt. Verkürzt punkt an Masse legen und hat dann eine elektrische man die Verzögerungszeit T₀ durch Verwendung eines Schaltung mit sowohl positiven als auch negativen größeren Widerstandes R, dann braucht man entspre-Potentialen gegenüber der Masse, es ist jedoch bei chend höhere Eingangsspannungen und hat auch dieser Schaltung nicht möglich, zugleich auch den 15 höhere Verluste zur Aufrechterhaltung des Spuleninduktiven Verbraucher an das Massepotential anzu- feldes. Will man andererseits geringere Stromverluste schalten. Dieser Mangel steht einer Verwendung der an einem kleineren Wirkwiderstand R oder bei herbekannten Schaltung bei extrem hohen Frequenzen abgesetzter Eingangsspannung, dann vergrößert sich der elektrischen Nachrichtentechnik entgegen, wo die Zeitkonstante, und die Einschaltverzögerung bzw. man zur Vermeidung von Streukapazitäten zwischen 20 die Steigung des Kurvenastes A wird geringer und die einzelnen Schaltelementen eindeutige Massepoten- Anstiegszeit wird damit ebenfalls verzögert, tiale haben muß. Außerdem sind für Mikrowellen- Wenn /₀ der die notwendige Magnetisierungsschaltungen bekanntlich auch kurze Einschaltzeiten .,.* ■,*,·■,,. ± ■ <_ ·, T, , „, . erwünscht, insbesondere bei der magnetischen Um- ^eDSr^ ^hefemde Mindeststrom ist, und _Ύ das Tastschaltung von Hohlleiterverzweigungen, deren Über- 25 verhältnis zwischen der Einschaltdauer T₁ und der tragungseigenschaften wahlweise nach dem Prinzip Periodendauer T des betrachteten Schaltvorganges des sogenannten »Zirkulators« umschaltbar sind, in- ist, dann ergibt sich aus der Formel für den exponendem man den Tensor der komplexen Übertragungs- tiellen Stromverlauf eigenschaften mit Hilfe eines Magnetfeldes entsprechend umschaltet, so daß die angekoppelten Hohl- 30 I- -J-\ _T leiterzweige wahlweise ein- oder ausschaltbar sind. 7 _ ^. \ 1 _ _e "F/_JL(i__e~ ~e]

Zur raschen Umschaltung des magnetischen Feldes ° ~ R R auf den Wert Null oder auch umgekehrt auf die vor-

gesehene Mindestfeldstärke benötigt man im Falle ^ _{def Zeitkonstanten Θ} = |_>also für die von der

eines Mikrowellenzirkulators im allgemeinen nur aus- 35 R

reichend starke Felder, jedoch rasche Umschaltzeiten Spannungsquelle E aufzubringende mittlere Leistung

und deshalb zur Aufrechterhaltung des gewünschten über die Gesamtperiode T als notwendiger Wert mit

Schaltvorganges zwangläufig auch entsprechend hohe dem Strom I₀: Stromstärken in der betreffenden Spulenwicklung.

Es ist also eine gewisse Zeit erforderlich, bis der 40
Spulenstrom nach dem Einschalten den vorgegebenen

Mindestwert erreicht, während ein weiterer Strom- ₀₍j_{er m}^ ^ __

anstieg von diesem Zeitpunkt an überflüssig ist und ©

der betreffenden Stromquelle eine unnötig hohe Lei- ρ — jz. JL·.. _?JL m

stung entzieht. 45 ° Θ Τ '

Das Prinzip dieses Vorganges ist in Fig. 1 und

den dazugehörigen Diagrammen nach F i g. 2 a und wobei — «* 1 .

2 b veranschaulicht. ®

Fig. 1 zeigt die Gleichspannungsquelle E, den In der Geichung (1) ist der bis zum Aufbau des

Schaltkontakt K₁, die Magnetfeldspule L und einen 50 Magnetfeldes im Zeitpunkt T₀ erforderliche Leistungs-

Wirkwiderstand R in Serienschaltung. anteil nicht enthalten, sondern nur die bei der Schal-

Fig. 2a zeigt den theoretisch erwünschten Verlauf tung nach Fig. 1 notwendige Wirkleistung zur Auf-

des Stromes i in Abhängigkeit von der Zeit t am Bei- rechterhaltung des Feldes, und auch nicht berück-

spiel sich periodisch wiederholender Schaltvorgänge. sichtigt, daß der Strom i natürlich noch weiter über

Der Strom i soll im Zeitpunkt Null unverzögert den 55 den Wert /₀ hinaus ansteigt.

Maximalwert erreichen, über eine Schaltzeit T₁ den Zur Verminderung der notwendigen Leistung zur genannten Wert einhalten und dann rasch wieder auf Aufrechterhaltung des Magnetfeldes kann man beNull zurückfallen, die Schaltperiode ist mit T be- kanntlich die in Fig. 3 dargestellte Schaltung verzeichnet, wenden, deren Stromcharakteristik in F i g. 4 a bis 4 c

Die tatsächlichen Stromwerte, die sich bei der 60 erläutert ist. Die Schaltung nach F i g. 3 arbeitet in Schaltung nach Fig. 1 nach dem Einschalten des zwei Stufen. In der ersten Stufe ist sowohl der Kon-Kontaktes K₁ einstellen, erreichen jedoch nicht den takt K₁ als auch der Kontakt K₂ geschlossen, und gewünschten Idealzustand nach Fig. 2a, sondern wenn man nur den schon betrachteten Einschaltzeitnehmen bekanntlich den in Fig. 2b dargestellten raum T₀ betrachtet, kann man den Idealfall nach Verlauf. 65 Fig. 4a dadurch annähern, daß man entweder die

Nach Fig. 2b kann der Strom i seinen durch das Spannung JE₂ sehr groß wählt oder die Zeitkonstante

ohmsche Gesetz bestimmten Endwert -=- nur nach sehr klein. In beiden Fällen wird das Verhältnis -5-

K Λ

5 6

nach Fig. 2b sehr groß bzw. der Kurvenanstieg Steuerung durch periodisch programmierte Signale dementsprechend steil. Zur Begrenzung des Strom- eignet, ergibt sich gemäß der Erfindung dadurch, daß

anstieges im Sinne von Fig.4b im Tastverhältnis^- f?^h beide Stromkreise gemeinsam über die Magnet-⁵⁶ T feidspule derart schließen, daß der erste Stromkreis muß jedoch rechtzeitig der Kontakt K₂ geöffnet und 5 mit der höheren Quellenspannung über einen elektrodamit der Widerstand R₁ in den Stromkreis nach nischen Schalter und parallel dazu auch der zweite Fig. 1 noch eingeschaltet werden. Man erhält auf Stromkreis mit der geringeren Quellenspannung über diese Weise den tatsächlichen Stromverlauf nach einen elektronischen Schalter mit einem ersten Spu-F i g. 4 c. Der Strom i steigt im praktischen Falle im lenanschluß in Verbindung stehen und die entgegenZeitraum T₀ bis zum Sollwert/₀ an und behält den io gesetzten Anschlüsse beider Quellenspannungen und genannten Sollwert auch bei. Der in Fig. 4c am der Spule ein gemeinsames, vorzugsweise das Masse-Snde der Schaltzeit eingezeichnete senkrechte Strom- potential bilden.

ftfall läßt sich bekanntlich im Bedarfsfall durch einen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schal-

|oirzschluß der betreffenden Spule realisieren. tung sind in F i g. 5 bis 15 der Zeichnung dargestellt.

Die Berechnung des zur Aufrechterhaltung des 15 Im einzelnen zeigt

feldes notwendigen Stromes I₀ ergibt für die Schal- F i g. 5 das Lösungsprinzip der Erfindung und dazu

i*ag nach Fig. 3 unter der Voraussetzung gleicher Fig. 6a und 6b die entsprechenden Diagramme,

itingangsspannungE₂, jedoch eines wesentlich klei- Fig. 7 die Grundform der erfindungsgemäßen

fieren Widerstandes Ii₂ in der ersten Schaltstufe aus Schaltungsanordnung und

|er schon genannten Exponentialfunktion für den 20 F i g. 8 a bis 8 d die dazuhörigen Kennlinien,

ftromverlauf einen steileren Anstieg, wie Fig. 4c Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel mit Transistoren

leigt, wobei der Strom i annähernd linear anwächst und dazu

der Stromwert/,, vom Wert ^L₈₀ lange nur ^g-10a bis 1Od die Kennlinien der Steuersignale

f ^u L ° für die Transistoren, bzw. deren Arbeitskurven,

tfenig abweicht, als das Verhältnis T₀ zur Zeitkon- 25 Fig. 11 ein Ausführungsbeispiel mit einem steuer-

j JL nur klein ist ^{baren Th}y^{ristor sowie dazu}
^ nur jaein lsi.

^ _{Fig n& uQd n& die entsprechenden} steuer-

Wird im Zeitpunkt T₀ der Kontakt K₂ nach F i g. 3 signale bzw. Arbeitskurven,
geöffnet, dann wird ein weiterer Anstieg des Stro- F i g. 13 ein Ausführungsbeispiel mit zwei Thyri-

fies / verhindert und im Idealfalle ein Dauerstrom 30 stören und hierzu

|aj Aufrechterhaltung des aufgebauten Magnetfeldes Fig. 14a bis 14c Steuersignale und Arbeitskurven

IfUfgenommen, der mit dem Stromwert I₀ überein- in Verbindung mit

ifimmt und sich nach dem ohmschen Gesetz wie Fig. 14 und den Fig. 15, 16 und 17 zu verschie-

fel ergibt: denen Arten der Erzeugung magnetischer Felder mit

j _ E 35 umkehrbarer Polarität.

⁰ ~ ~R~+~R~' F i g. 5 dient zur Veranschaulichung des Grund-

^{1 2} prinzips und zeigt eine Veriante der bekannten Schal-

Der von diesem Zeitpunkt an notwendige Lei- tung nach Fig. 3, deren Kontakt K₂ und Wider-φungsbedarf ist wegen des konstant gehaltenen stand R₁ durch einen Leistungstransistor Q₁ ersetzt

iftromwertes Z₀ naturgemäß kleiner als der Leistungs- 40 sind. Diese Schaltung ermöglicht die Begrenzung des fedarf der Schaltung nach Fi g. 1, und zwar Stromes I₀ durch Vergleich einer Spannung F₂ = /

_{T T} R₃ mit einer zweiten Spannung einer zweiten und

PJ₁₁ = I₀'*.- £l, (2) von der Stromquelle £ unabhängigen, jedoch wie

Θ' T diese an Massepotential angeschalteten Stromquelle

Ist in diesem Falle die Summe der beiden Wider- ⁴⁵ ^- ^{In Fi}^ ^{6a ist wieder das} Tastverhältnis ^- darstände R₁ + R₂ größer, dann ist die magnetische gestellt, während Fig. 6b den im Idealfalle erreich-

ZeitkonstanteT = ^-entsprechend kleiner und damit £^ΕΓε?_vf™™^*f ™ψ: ^Β<*» Einschalten eines R * Kontaktes K₃ wird der Leistungstransistor Q₁ strom-

auch der dauernd eingeschaltete Strom /„' kleiner als 50 leitend gesteuert, und die Spannungsquelle E erzeugt der Strom i, den die Schaltung nach F i g. 1 gemäß einen Strom i, der über die Magnetfeldspule L, deren Fig. 2b im Verlauf der Einschaltzeit T₁ erreicht und nicht näher bezeichneten Verlustwiderstand und den infolgedessen auch die aus Fig. 4c ersichtliche Ver- VergleichswiderstandR fließt. Sobald die vorgegebesserung des Kurvenverlaufes möglich. bene Mindeststromstärke /₀ erreicht ist, stellt sich am

Von diesem Prinzip der zweistufigen Einschaltung 55 Widerstand R₃ die vorgesehene Vergleichsspannung des Magnetisierungsstromes geht die vorliegende Er- V₂ ein und der Leistungstransistor Q₁ wird umgefindung aus. Insbesondere sollen zu diesem Zweck schaltet, so daß er nur noch eine geringere Leitfähigzwei verschiedene Spannungsquellen herangezogen keit hat und der Strom I₀ nicht weiter ansteigen kann, werden, um einerseits eine besonders steile Anstiegs- Da das durch diesen Stromwert erzeugte Magnetfeld

flanke und andererseits berm Erreichen des vorge- 60 aufgebaut ist, wird nur noch Verlustleistung von der schriebenen Sollwertes I₀ einen konstanten und nicht Stromquelle E aufgenommen,
weiter ansteigenden Strom zu erreichen. In diesem Falle ist, ähnlich wie bei der bekannten

Eine Schaltungsanordnung zum raschen Aufbau Schaltung nach F i g. 3, die Leistung zur Aufrecht- und zur stromsparenden Aufrechterhaltung des Ma- erhaltung des magnetischen Feldes entsprechend be-

gnetfeldes von Spulen, welche die genannten Förde- 65 grenzt und wie folgt darstellbar:
rungen erfüllt und sich in Verbindung mit elektronischen Schaltern stufenweise über zwei verschiedene P^ — /₀"². _r_. (3)
Stromkreise auch vorzugsweise zur elektronischen &"

Diese Leistung wird also nach Ablauf der Ein- Zweck ist es grundsätzlich auch möglich, elektroschaltdauer T₀ weiterhin über den Leistungstransistor nische Schalter vorzusehen, die nach jedem gewünsch- Q₁ übertragen, der zuvor in der Einschaltstufe das ten Programm Ströme gegebener Stärke oder den Mangetfeld in der Spule L beschleunigt aufgebaut Stromwert Null liefern, wenn man hierzu durch Verhat. 5 einigung mehrere Stromkreise über die betreffende

Die Leistungen, die zur Erzeugung des Stromver- Spule führt und einem konstanten Gleichstrom, der lauf es nach Fig. 6 b notwendig und insbesondere eine vorgegebene Feldstärke erzeugt, in entgegenfür die rasche Umtastung von Mikrowellenverzwei- gesetzter Richtung einen Strom gleicher Größe zur gungen nach dem Prinzip des Zirkulators erwünscht Beseitigung des Magnetfeldes oder doppelter Größe sind, sollen nun in der erfindungsgemäßen Weise io zur Umkehrung der Feldrichtung überlagert. Eine einen möglichst steilen und geradlinigen Anstieg bis Variante zu dieser Maßnahme besteht darin, zwei zum Sollstrom/₀ und eine möglichst gleichmäßige Spulen mit entgegengesetztem Wicklungssinn anzu-Einhaltung dieses Stromwertes über den Einschalt- ordnen, von denen jede durch eine erfindungsgemäße Zeitraum T₁ ermöglichen und außerdem einen ge- Schaltungsanordnung erregbar ist. Es ist schließlich meinsamen Massepontentialpunkt für beide hierzu 15 auch möglich, die Spule mit dem entgegengesetzten benötigten Spannungsquellen und außerdem auch zu- Wicklungssinn allein zu tasten und damit gegenüber gleich für einen Anschlußpol der Magnetfeldspule L einem konstanten Magnetfeld halber Stärke in jedem haben. Zeitraum der eingetasteten Spulenerregung eine FeId-

Mit anderen Worten, die Grundidee der Erfindung umkehr unter gleichzeitiger teilweiser Feldkompenbesteht darin, die Stromversorgung der Magnetfeld- 20 sation zu erreichen, so daß in diesem Falle ein Maspule L über zwei verschiedene Stromkreise abzustu- gnetfeld von gleichbleibender Stärke periodischen fen und in der ersten Stufe eine starke Stromquelle Umtastungen der Feldrichtung ausgesetzt wird,
zum raschen Aufbau des Feldes, in der zweiten Stufe F i g. 7 zeigt das erste Ausführungsbeispiel der ereine entsprechend schwächere Stromquelle, bzw. findungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einer reduzierte Stromaufnahme, möglichst selbsttäig, bei- 25 Stromquelle E₁ hoher Spannung, die über einen Konspielsweise durch programmierte Signale, zu steuern. takt X₄ in gleicher Weise an die Magnetfeldspule L

Das Verfahren, nach dem die vorgeschlagene anschaltbar ist, wie eine zweite Stromquelle E_z ver-Schaltungsanordnung den raschen Aufbau des ma- gleichsweise geringerer Spannung über einen dazugnetischen Feldes und dessen stromsparende Auf- gehörigen Kontakt X₅. Der Wirkwiderstand beider rechterhaltung erreicht, entspricht also ganz allge- 30 Spulenstromkreise ist mit R_v bezeichnet und kann mein der schon eingangs genannten Schaltung, die identisch sein mit dem ohmschen Verlustwiderstand mit zwei Tranistoren und zwei entsprechenden Kipp- der Spule L, so daß diese infolgedessen unmittelbar stufen arbeitet, jedoch mit dem wesentlichen Unter- und in gleicher Weise wie die beiden Stromquellen^ schied, daß die Schaltung gemäß der Erfindung er- und E₂ an das gemeinsame Massepotential anschaltheblich vereinfacht und die zur Anwendung in der 35 bar ist. Ein Signalsender S dient zur entsprechenden Mikrowellentechnik erstrebte Vereinigung der wich- Steuerung der Kontakte X₄ und X₅.
tigsten Schaltungselemente an einem gemeinsamen Wie erwähnt, können als Kontakte Z₄ und K₅ elek-

Massepotential möglich ist. Grundsätzlich können zur tronische Schalter in Form von Transistoren oder Steuerung der beiden Schaltstufen auch beim Anmel- steuerbaren Thyristoren in beliebiger Schaltungsdungsgegenstand Transistoren, insbesondere Thyri- 40 kombination Verwendung finden. Solche steuerbaren stören, bzw. Thyratrons Verwendung finden, jedoch Gleichrichter sind im Zusammenhang mit der schon ist die Schaltung in jedem Falle so zu treffen, daß die eingangs genannten Reihenschaltung einer induktiven genannten Elemente gegen Überlastung durch Span- Last als steuerbare Siliziumgleichrichter unter der nungsspitzen beim Ein- oder Ausschalten des Feld- angelsächsischen Kurzbezeichnung SCR = »silicium stromes geschützt sind. 45 controlled rectifier« bekannt.

Die starken Stromquellen, die man zum raschen Die Stromquelle E₁ hoher Spannung wird so ge-

Feldaufbau benötigt, müssen bei hoher Spannung wählt, daß sie während einer relativ kurzen Zeit T₀ bekanntlich einen geringen Innenwiderstand haben, den Magnetisierungsstrom abgeben kann. Die Stromwie die bei den gezeichneten Ausführungsbeispielen quelle E₂ mit der vergleichsweise niedrigeren Spandargestellten Gleichstrombatterien. Sie können jedoch 50 nung muß in der Lage sein, die Energie des magneinsbesondere durch entsprechende Kondensatoren er- tischen Feldes über den Einschaltzeitraum T₁, entsetzt werden, die über die Zeit der Einschaltdauer T₁ sprechend dem Tastverhältnis zur Schaltperiode T, aufgeladen wurden und damit für die Schaltzeit T₀ aufrechtzuerhalten. Fig. 8a zeigt die Einschaltzeit zum Aufbau des Magnetfeldes einen entsprechend des Kontaktes JsC₄ und Fig. 8b die Einschaltzeit des großen Strom abgeben können. Für die genannte 55 KontaktesK₅, während aus Fig. 8c der Anstieg des Kondensatorentladung eignet sich ein Thyratron bzw. Stromes Z₁ im Einschaltzeitraum T₀ bis zum Wert I₀ ein Thyristor besonders, da diese Steuerelemente ersichtlich ist, den die Stromquelle E₁ bei geschlossenach erfolgter Entladung des Kondensators bekannt- nem Kontakt X₄ und geöffnetem Kontakt X₅ liefert, lieh auch ihre Stromleitfähigkeit wieder verlieren. Dabei erreicht der Einschaltstrom den Wert

Zur Erzeugung von Feldern, deren Feldstärke um- 60

kehrbar polarisiert werden kann, läßt sich die erfin- __ E₁ T₀ __ E₁T₀

dungsgemäße Schaltungsanordnung zweckmäßig in ° ~j^~' jj ' £

Form zweier und zueinander komplementär arbei- ^v —

tender Teilschaltungen verwirklichen, die gegebenen- -R

falls im vorgegegebenen Rhythmus die gleiche Ma- 65 .. q _ JL^ ™
gnetfeidspule in entgegengesetzter Feldrichtung er- "~ J{_v °*

regen und bei jeder Erregung in der erfindungsge- Der Strom zur Aufrechterhaltung des aufgebauten

mäßen Weise zweistufig arbeiten können. Zu diesem Magnetfeldes, der dann bei geöffnetem Kontakt X₄

9 10

und geschlossenem Kontakt K₅ nach Fig. 7 in an Wenn T = 2,5 msec, T₀ = 0,1 msec, L = 5 mH,

sich bekannter Weise über eine Sperrdiode fließt, R = I Ohm und I₀ = 1,6 A ist, dann sind die bei der

wird auf die gleiche Stromstärke eingestellt und läßt Schaltung nach Fig. 1 etwa dem Verhältnis nach

sich wie folgt angeben F i g. 2 b entsprechend anzusetzenden Stromwerte mit

4. J

Die für einen periodischen Schaltvorgang benötigte

mittlere Gesamtleistung setzt sich damit aus zwei io wegen der unvermeidbaren Stromzunahme für den

verschiedenen Teilen zusammen: Grenzfall, daß die Einschaltzeit T₁ verhältnismäßig

_ ι r / a ψ SX⁰^ *^st> ^w*^e folß^{4 zur} Berechnung der mittleren Ge-

P_M = ? \- RI₀ ²- — (4) samtleistung anzusetzen:

IT T LI₁?

₁₅ Pm = 2 -=^2- = 256 W.

Die Magnetisierungsenergie entspricht annähernd °

der halben Kurvenfläche im Zeitraum T₀ und ist zur Für den zu Fig. 3 dargestellten und ebenfalls be-

Umrechnung auf die mittlere Gesamtleistung dem- kannten Fall mit einer Begrenzung auf den Strom-

entsprechend mit dem Faktor -£- zu multiplizieren. T^{QXt 7}«. durch Umschaltung der Widerstandswerte, ~^r T ^r ao bzw. Einschaltung eines zusätzlichen Widerstandes,

Damit kann die erforderliche Leistung der Span- läßt sich die mittlere Gesamtleistung in guter Nähenungsquellen gegenüber der Grundschaltung nach rung einfach auf den Strom I₀ beziehen:

Fig. 1 maximal im Verhältnis 2 · -=-herabgesetzt p_M _ -^V _ 128 W.

werden. Damit ergeben sich wirtschaftlich sehr inter- as ⁷O

essante Ergebnisse, wie das folgende Zahlenbeispiel Für den Fall der erfindungsgemäßen Schaltungs-

zeigt. anordnung nach F i g. 7 der Zeichnung ergibt sich aus

Pm= ~^~ + RI₀ ²-^- = 2,56 + 2,56 = 5,12 W, (4)

2 T T

also gegenüber den vorhergehenden und bekannten eine Stromquelle JS₂ vergleichsweise geringer Span-

Be|spielen, eine Leistungsverminderung um den Fak- nung zur Abgabe des erforderlichen Stromwertes /₀

tor- SO bzw. 25, wobei gleichfalls der Wert T₁ zur 35 befähigt. Im übrigen ist die Anwendung der Schal-

Vefanschaulichung der gesamten Schaltperiode T rung nach Fig. 9 nur durch die maximalen Aus-

glejchgesem und da™, der Faktor ^weggelassen SÄulastge VeZS^Ä US wurde. sehen den Kollektor- und Emitterelektroden zulässi-

Das in F i g. 9 dargestellte Ausführungsbeispiel hat 4° gen Spannungswerte begrenzt.

als hohe Spannungsquelle einen am Potential^ an- Die genannte Begrenzung kann bei der in Fig. 11

geschalteten Speicherkondensator C, der sich äugen- dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäblilklich entladen und mit steiler Flanke das Magnet- ßen Schaltungsanordnung mit den dazugehörigen fell aufbauen kann. Der dazugehörige Schalter ist Kennlinien in Fig. 12a bis 12e praktisch entfallen, einTransistor Q₂ mit der Basis N und dem Emitter M. 45 weil bei dieser Schaltung ein stabiler steuerbarer Wenn ein Signal, wie in Fig. 10a dargestellt ist, Thyristor Th₁ mit den Eingangselektroden MN Spanzwischen den Elektroden N und M angelegt wird, nungswerten von mehreren hundert Volt standhalten dann wird der Transistor Q₂ über diesen Zeitraum T₀ kann. Damit steht bei der Schaltung nach F i g. 11 eine stromleitend, welcher zum Aufbau des Magnetfeldes ausreichend starke Stromquelle hoher Spannung zur der Spule L erforderlich ist. Eine Spannungsquelle E₂ 5<> Verfugung. Im übrigen ist die Schaltung nach F i g. 11 vergleichsweise geringerer Betriebsspannung liefert die gleiche wie beim Ausführungsbeispiel nach anschließend den Strom/₀ zur Aufrechterhaltung des Fig. 9, und man erkennt, daß zur Stromquelle mit Magnetfeldes über einen Transistor Q₃, der von einem der höheren Quellenspannung E₁ ein Kondensator C weiteren Transistor Q₄ gesteuert wird. Eine Diode D₁ vorgesehen ist, der sich während der Einschaltzeit und eine Zenerdiode D₂ schützen den Transistor Q₃ 55 des Haltestromkreises allmählich auflädt und sich zur gegen Überlastung durch Spannungsspitzen beim Ein- Erzeugung des Aufbau- oder Erregerstromes mit der schalten bzw. beim Ausschalten des Stromes durch vergleichsweise höheren Spannung rasch über einen die Spule L. In Fi g. 10 a ist die Spannung V_MN am elektronischen Schalter entladen kann, also in kür-Transistorß₂ angedeutet, während in Fig. 10 b in zester Zeit das Magnetfeld aufbaut. Der Thyristor Th₁ gleicherweise die Steuerspannung V_AB als Ordinaten- 6o entspricht einem steuerbaren Thyratron bzw. einem wert zur Bezeichnung des Einschaltzustandes T₁ steuerbaren Siliziumgleichrichter mit der angelsächgegenüber der gesamten Schaltperiode T angeführt ist. sischen Kurzbezeichnung SCR. Zur Steuerung dienen

Fig. 10c zeigt den Stromverlauf I₁ während der die in Fig. 12a dargestellten kurzen Schaltimpulse, Einschaltperioden T₀ und Fig. 1Od den mit dieser wozu als Ordinatenwert die Bezeichnung V_MN ange-Schaltung erzielten Verlauf des Spulenstromes i, wie 65 deutet ist. Infolge dieser Steuersignale wird der Thyer tatsächlich eintritt. Der Wirkwiderstand R nach ristor Th₁ in den Zustand der Leitfähigkeit umge-F ig. 9 entspricht dem Verlustwiderstand der Spule L, schaltet. Im gleichen Zeitpunkt spielen sich folgende der verhältnismäßig klein ist und infolgedessen auch Vorgänge ab:

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Die Fig. 12b zeigt die Einschaltdauer T₁ der gestellt. Diese Anwendung ist besonders wertvoll zur Steuerspannung V_AB wie Fig. 10b zu Fig. 9. praktischen Verwirklichung von Mikrowellenzirkula-Fig. 12c stellt den Verlauf des StromesZ₁ dar, der toren an Hohlleiterverzweigungen, beim Einschalten vom Kondensator C abgegeben Die in F i g. 14 dargestellte Schaltung umfaßt eine

wird, welcher sich in der übrigen Zeit über den am 5 Magnetisierungsspule L, zwei Stromquellen hoher Punkt P angeschalteten Ladewiderstand R₀ in be- Spannung +HT und — HT und zwei weitere Stromkannter Weise aufladen kann. Die Kondensator- quellen +BT und — BT vergleichsweise geringerer entladung zeigt nach Fig. 12c einen sinusähnlichen Spannung, die jeweils über Transistoren Q₁ und Q₁ Verlauf, der vergleichsweise einer Frequenz für die hohen Spannungswerte bzw. Q₂ und Q\ für

j. ίο die niedrigen Spannungswerte gesteuert werden. Zur

F — YLC Steuerung dienen auch in diesem Falle Transistoren

2 π in Thyratronschaltung, d. h. Thyristoren bzw. steuerbare Siliziumgleichrichter, und zwar jeweils in paarentspricht, wenn man einen Schwingkreis mit den weise komplementärer Steuerschaltung. Auf diese Blindwiderständen L und C geringer Dämpfung zu- 15 Weise werden die genannten Steuerelemente Q₁ bis gründe legt. Q'_z abwechselnd umgesteuert und dadurch magne-

Bezeichnet man in Fig. 12c mit T₀ den Zeitraum, tische Felder annähernd gleicher Stärke, jedoch nach welchem der Entladungsstrom I₁ sein Maximum wechselnder Feldrichtung in der Feldspule L erzeugt, erreicht, dann ergeben sich folgende Gleichungen: Die Einzelheiten der Felderzeugung entsprechen der

2o erfindungsgemäßen Vorrichtung mit raschem FeId-

F — ; J₀ ρ« —i_ == _ . -—'- . aufbau und mit stromsparender Aufrechterhaltung

4T₀ Leo ^π L des jeweils erzeugten Feldes.

Bei der Schaltung nach Fig. 15 wird eine FeId-

Das Löschen des Thyratrons Th₁ geschieht dann, spule L verwendet, die ständig von einem Strom — / wenn die Spannung an den Klemmen des Konden- 25 durchflossen ist. Zwei Steuertransistoren der beschriesators C durch den Wert Null hindurchgeht. benen Art werden abwechselnd zur Stromabgabe ein-

Der Kondensator C lädt sich bis zur folgenden geschaltet, und zwar derart, daß sie der Spule L in Arbeitsperiode erneut auf mit einer Ladezeitkonstante gleichen Zeitabständen nacheinander einen Strom &_c = R₀C. Der Ladewiderstand R₀ verbraucht einen überlagern, der zwischen den Werten i = 0 und i = 21 Teil der von der Spannungsquelle E₁ abgenommenen 30 alterniert. Dadurch wird die Spule L im einen Fall Leistung. Der durchschnittliche Mittelwert dieser von einem Magnetisierungsstrom —/ und im anderen Leistung beträgt etwa Falle von einem resultierenden Magnetisierungs-

_TT2 strom+/durchströmt.

~p_M — - ° -. F i g. 16 und 17 zeigen ähnliche Schaltungen wie

T 35 Fig. 14 und 15, jedoch mit dem Unterschied, daß

jeweils zwei Spulen mit entgegengesetztem Wick-

Fig. 12d zeigt den Verlauf des Stromes i durch lungssinn Verwendung finden. Auf diese Weise ist es die Magnetfeldspule L und Fig. 12e eine Ver- möglich, für die komplementären Teile dieser Schalgleichsspannung V₁ zur Steuerung des periodischen tungen die gleichen steuerbaren Schaltelemente auch Umschaltvorganges ähnlich wie zu F i g. 5. 40 in gleicher Weise zu schalten. Gegenüber den mit

Fig. 13 stellt in weiterer Abwandlung zu Fig.7 +/ und —/ in Fig. 14 angedeuteten Stromrichtunein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsge- gen zeigt F i g. 16 zu beiden Teilen der Schaltung mäßen Schaltungsanordnung dar, die mit zwei gleiche Vorzeichen und nur mit entgegengesetzter steuerbaren Thyristoren Th₂ und Th₃ in Thyratron- Polarität angedeutete Feldstärken. Diese sind in beSchaltung arbeitet. Dabei ist das erste Thyratron Th₂ 45 kannter Weise durch lateinische Schriftbuchstaben ähnlich wirksam wie zu Fig. 11 erläutert, während mit +H bzw. ~H zu Fig. 16 eingetragen. In das zweie Thyratron Tn₃ den Strom zur Aufrecht- gleicher Weise entspricht auch die Schaltung nach erhaltung des Magnetfeldes sicherstellt. Im vorliegen- Fig. 17 der Schaltung nach Fig. 15. den Falle werden beide Thyratrons, d. h. die Thyri- Wie man sieht, läßt sich die erfindungsgemäße

stören Th₂ und Th₃ gleichzeitig gezündet. Th₂ löscht 50 Schaltungsanordnung bei den zuletzt genannten Aussich infolge der Entladung des Kondensators C un- führungsbeispielen in der Weise einsetzen, daß zur mittelbar von selbst und Th₃ ist über ein Elektroden- periodischen Erzeugung von Magnetfeldern entgegenpaar OP willkürlich löschbar. Fig. 14 a zeigt die er- gesetzter Feldrichtung jeweils eine zweite Gruppe von forderlichen Steuerimpulse zur Elektrodenspannung Schaltkreisen vorgesehen ist, welche einen Stromver- V_MN des einen und Fig. 14b die entsprechenden 55 lauf mit entgegengesetzter Polarität erzeugt und ab-Steuerspannungen V_Op des anderen Thyristors. wechselnd mit der ersten Stromkreisgruppe die Ma-

Die den angegebenen Zahlenbeispielen entspre- gnetfeldspule erregt.

chenden Schaltverhältnisse sind bei den verschiede- Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet

nen Ausführungsbeispielen zur erfindungsgemäßen sich wie gesagt insbesondere für die Anwendung an Schaltungsanordnung mit Stromquellen mittlerer Lei- 60 Mikrowellenzirkulatoren zur Umsteuerung von Hohlstung zwischen 10 und 15 Watt für die verschieden- leiterverzweigungen zwecks veränderlicher Ankoppsten Anwendungsfälle erzielbar und eröffnen damit lung einzelner Zweige. Auch ist bei Verwendung von der Erfindung einen weiten Bereich von Anwendungs- Transistoren durch die maximal zulässigen Spannunmöglichkeiten, gen zwischen Kollektor- und Emitterelektrode eine In Fig. 14 bis 17 sind hierzu mehrere Anwen- 65 gewisse Leistungsbeschränkung gegeben. Man kann dungsbeispiele zum Einsatz erfindungsgemäßer Schal- jedoch bei Anwendung der erfindungsgemäßen tungsanordnungen für die Steuerung umkehrbarer Schaltungsanordnung ohne weiteres eine »Hochspan-Magnetfelder in einem magnetischen Stromkreis dar- nungsquelle« von 60 Volt mit einer »Niederspan-

nungsquelle« von beispielsweise 5 Volt in nützlicher Weise vereinigen. Dabei ergibt sich für den Schaltungsaufwand insgesamt und für die Bemessung der einzelnen Schaltelemente entsprechend den aufzunehmenden Verlustleistungen ein vergleichsweise geringerer Aufwand bei einwandfreier elektrischer Arbeitscharakteristik.

Wenn man insbesondere in den mit Thyristor-Steuerelementen versehenen Ausführungsbeispielen ne;ben einer »Hochspannung« von beispielsweise 300 Volt eine »Niederspannung« von nur 5 Volt vorsieht, treten die technischen Vorteile der erfindungsgdmäßen Schaltungsanordnung gegenüber anderen Schaltungen gleicher Leistungsklasse sehr deutlich hervor. Zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergeben siäi dadurch, daß sie mit elektronischen Schaltern ausgerüstet ist, die gemäß jedem gewünschten Programm abwechselnd einen Strom mit vorgegebenem S&omstärkeverlauf und den Stromwert Null ein- ao tasten, während durch die Magnetfeldspule ständig eiii Gleichstrom hindurchfließt, der im Vergleich zu αφη elektronisch getasteten Strom die entgegengesetzte Polarität und die Stärke der halben Amplitude hat. Dabei ist eine zusätzliche Vereinfachung dös Schaltungsaufwandes möglich durch die Verwendimg von zwei Magnetfeldspulen mit zueinander entgegengesetztem Wicklungssinn.

Claims (5)

Patentansprüche: 30

1. Schaltungsanordnung zum raschen Aufbau und zur stromsparenden Aufrechterhaltung des

j Magnetfeldes von Spulen, beispielsweise zur magnetischen Umschaltung von Hohlleiterverzweigungen für Mikrowellen, mit einer Magnetfeldspule, zu deren Stromversorgung zwei verschie-

">'■ dene Stromkreise vorgesehen sind, nämlich ein

* Einschalt- oder Erregerstromkreis mit einer ersten Spannungsquelle vergleichsweise höherer Quellenspannung und ein Haltestromkreis mit

■ einer zweiten Stromquelle vergleichsweise geringerer Quellenspannung, welche beide mit elektronischen Schaltern in Verbindung stehen und, bei-

ΐ spielsweise periodisch durch programmierte Signale gesteuert, den vorgegebenen Stromverlauf für die Spule erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß sich beide Stromkreise gemeinsam über die Magnetfeldspule (L) derart schließen, daß der erste Stromkreis mit der höheren Quellenspannung (E₁) über einen elektronischen Schalter (K₁) und parallel dazu auch der zweite Stromkreis mit der geringeren Quellenspannung (E₂) über einen elektronischen Schalter (K₅) mit einem ersten Spulenanschluß in Verbindung stehen und die entgegengesetzten Anschlüsse beider Quellenspannungen und der Spule ein gemeinsames, vorzugsweise das Massepotential bilden (Fig. 7).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stromquelle mit der höheren Quellenspannung (ZT₁) ein Kondensator (C) vorgesehen ist, der sich während der Einschaltzeit des Haltestromkreises allmählich auflädt und sich zur Erzeugung des Aufbau- oder Erregerstromes mit der vergleichsweise höheren Spannung rasch über einen elektronischen Schalter, vorzugsweise einen Thyristor, in die Spule entlädt (Fig. 11).

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur periodischen Erzeugung von Magnetfeldern entgegengesetzter Feldrichtung eine zweite Gruppe von Stromkreisen vorgesehen ist, welche einen Stromverlauf mit entgegengesetzter Polarität erzeugt und abwechselnd mit der ersten Stromkreisgruppe die Magnetfeldspule erregt.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit elektronischen Schaltern ausgerüstet ist, die gemäß jedem gewünschten Programm abwechselnd einen Strom mit vorgegebenem Stromstärkeverlauf und den Stromwert Null eintasten, während durch die Magnetfeldspule ständig ein Gleichstrom hindurchfließt, der im Vergleich zu dem elektronisch getasteten Strom die entgegengesetzte Polarität und die Stärke der halben Amplitude hat.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung von zwei Magnetfeldspulen mit zueinander entgegengesetztem Wicklungssinn.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 161 349,
998, 1 051 326.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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