DE1616066B1

DE1616066B1 - DC voltage converter with premagnetized field plates

Info

Publication number: DE1616066B1
Application number: DE19671616066D
Authority: DE
Inventors: Hans Hieronymus; Hans Martens
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-07-01
Filing date: 1967-11-03
Publication date: 1971-03-04

Description

Gegenstand des Hauptpatentes ist ein Gleichstromwandler mit einer Brückenschaltung mit vormagnetisierten sowie dem Steuermagnetfeld des zu messenden Gleichstroms ausgesetzten Feldplatten. An die Brücke ist ein Gleichstromverstärker angeschlossen, dessen Ausgangsstrom ein dem Steuermagnetfeld entgegenwirkendes Gegenkopplungsfeld erzeugt. Der Wandler enthält einen einzigen, allen Feldplatten und Magnetfiüssen gemeinsamen Magnetkreis, bei dem ein Teil oberhalb der magnetischen Aussteuerung, die für die Feldplatten zur Erzeugung eines Gegenkopplungsfeldes nötig ist, magnetisch sättigbar ist. The main patent is a DC converter with a Bridge circuit with pre-magnetized as well as the control magnetic field of the to be measured Field plates exposed to direct current. At the bridge is a DC amplifier connected, the output current of which is a negative feedback field counteracting the control magnetic field generated. The transducer contains a single, all of the field plates and magnetic feet common magnetic circuit in which a part above the magnetic modulation, which is necessary for the field plates to generate a negative feedback field, magnetic is saturable.

Dieser Gleichstromwandler kann auch als Gleichspannungswandler eingesetzt werden.This DC / DC converter can also be used as a DC / DC converter will.

Es ist häufig wichtig, Spannungen potentialfrei messen zu können. Bei Wechselspannungen kann das leicht mit Hilfe von Wechselstromwandlern ausgeführt werden. Aber auch Gleichspannungen müssen, z. B. in der Regelungstechnik, potentialfrei erfaßt werden können. Gleichspannungswandler sind aber im Aufbau wesentlich komplizierter als Wechselspannungswandler, weil sich die Gleichspannungsgrößen nicht transformatorisch übertragen lassen, aber Eine und Ausgang ebenso wie bei Wechselspannungswandlern galvanisch nicht gekoppelt sein dürfen. In solchen Wandlern werden unter anderem zur galvanischen Trennung von Eingang und Ausgang, magnetfeldabhängige Widerstände, die sogenannten »Feldplatten«, verwendet (s. »Solid State Electronics«, Pergamon Press, 1964, 7, S. 363 bis 371, und 1966, 9, S. 443 bis 451, sowie »Elektronik«, 1967, Heft 5, S. 137/138). It is often important to be able to measure voltages potential-free. In the case of alternating voltages, this can easily be done with the help of alternating current converters will. But also DC voltages must, z. B. in control technology, potential-free can be detected. DC voltage converters are much more complicated in structure as an AC voltage converter, because the DC voltage values are not transformative can be transmitted, but one and output as well as with AC voltage converters may not be galvanically coupled. In such converters are among other things for galvanic separation of input and output, magnetic field-dependent resistors, the so-called "field plates" are used (see "Solid State Electronics", Pergamon Press, 1964, 7, pp. 363 to 371, and 1966, 9, pp. 443 to 451, as well as "Electronics", 1967, No. 5, pp. 137/138).

Mit den Maßnahmen nach dem Hauptpatent wird die Aufgabe gelöst, einen Gleichspannungswandler zu schaffen, der auch bei Überlast einwandfrei arbeitet, ohne daß das Gegenkopplungsfeld entsprechend dem Steuerfeld oberhalb der Nennaussteuerung stark ansteigen muß. Mit hohem Vorwiderstand kann der Stromwandler nach dem Hauptpatent auch als Spannungswandler betrieben werden. Dabei geht die Temperaturabhängigkeit der Steuerwicklung, die im allgemeinen aus Kupfer besteht, im Verhältnis der Wicklungsspannung zur Gesamtspannung ein. With the measures according to the main patent, the problem is solved, a To create a DC / DC converter that works perfectly even in the event of an overload, without the negative feedback field corresponding to the control field above the nominal level must rise sharply. With a high series resistance, the current transformer according to the main patent can also be operated as a voltage converter. Thereby the temperature dependency goes the control winding, which generally consists of copper, in relation to the winding voltage to the total voltage.

In einem anderen Fall, nämlich bei einem Wandler, der an einen Shunt angeschlossen werden soll, stehen in der Regel keine hohen Spannungen zur Verfügung. Für diese Fälle ist nach dem Hauptpatent eine Spannungswandlerausführung vorgesehen, in der die Steuerwicklung für die Shuntspannung ausgelegt ist und ohne spezielle Temperaturkompensation, also mit ihrem vollen Temperaturkoeffizienten, betrieben wird. Jedoch wird dafür gesorgt, daß die Gegenkopplungswicklung den gleichen Temperaturkoeffizienten hat. Dann heben sich die Temperaturkoeffizienten eingangs- und ausgangsseitig gegenseitig auf, wenn beide Wicklungen im wesentlichen die gleiche Temperatur haben und wenn die Spannung an der Gegenkopplungswicklung oder an einem anderen Widerstand mit gleichem Temperaturkoeffizienten in der Zuführung der Gegenkopplungswicklung als Ausgangssignal verwendet wird. In another case, namely with a transducer connected to a shunt is to be connected, there are usually no high voltages available. For these cases, a voltage transformer version is provided according to the main patent, in which the control winding is designed for the shunt voltage and without special Temperature compensation, i.e. with its full temperature coefficient, operated will. However, it is ensured that the negative feedback winding has the same temperature coefficient Has. Then the temperature coefficients increase mutually at the input and output on when both windings have essentially the same temperature and when the voltage at the negative feedback winding or at another resistor same temperature coefficient in the feed of the negative feedback winding as Output signal is used.

Eine Bedingung für ein fehlerarmes Arbeiten eines solchen Wandlers war hiernach also, daß Steuer-und Gegenkopplungswicklung etwa gleiche Temperatur haben, was dadurch erreicht werden kann, daß man für einen guten Wärmekontakt zwischen den beiden Wicklungen sorgt. Diese Lehre hat sich in vielen Fällen als brauchbar erwiesen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sie bei ungünstigen Bedingungen nicht immer ausreicht. A condition for such a converter to work with few errors After that, the control and negative feedback windings were about the same temperature have what can be achieved by ensuring good thermal contact between the two windings. This teaching has proven useful in many cases proven. It has however, shown that they do not always work in adverse conditions sufficient.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Gleichspannungswandler nach dem Hauptpatent für den Anschluß an einen Shunt auf Temperatureinwirkung zurückgehende Fehler weiter zu vermindern. The invention is therefore based on the object in a DC voltage converter according to the main patent for the connection to a shunt going back to the effect of temperature To further reduce errors.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß bei Verwendung von Material mit gleichem Temperaturkoetfizienten für die auf gleicher Temperatur gehaltenen Wicklungen von Steuermagnetfeld und Gegenkopplungsfeld diese Wicklungen derart bemessen sind, daß sie praktisch gleiche elektrische Verlustleistungen und praktisch gleiche Wärmeableitung gegen die Umgebung aufweisen und daß an der Gegenkopplungswicklung der Abgriff für das Ausgangssignal vorgesehen ist. The solution to the problem is that according to the invention when used of material with the same temperature coefficient for those at the same temperature The windings held by the control magnetic field and negative coupling field these windings are dimensioned such that they have practically the same electrical power losses and have practically the same heat dissipation to the environment and that on the negative feedback winding the tap for the output signal is provided.

Es hat sich hierbei also als günstig herausgestellt, nicht nur für einen guten Wärmekontakt zwischen Steuer- und Gegenkopplungswicklung zu sorgen, sondern auch durch geeignete Bemessung der Steuer-und Gegenkopplnngsspulen für etwa gleiche elektrische Verlustleistungen und damit für gleich große Wärmeentwicklung in den Spulen Sorge zu tragen. So it turned out to be beneficial, not just for to ensure good thermal contact between the control and negative feedback windings, but also by suitable dimensioning of the control and negative feedback coils for about the same electrical power losses and thus for the same amount of heat development to take care of in the coils.

Bei einer Steuerwicklung aus Kupfer kann der Temperaturgang des Kupferwiderstandes dieser Wicklung dadurch kompensiert werden, daß die Ausgangsspannung am Kupferwiderstand der Gegenkopplungsspule oder an einem anderen Kupferwiderstand, der vom Gegenkopplungsstrom durchflossen wird, abgenommen wird. Das ist jedoch nicht immer erforderlich. In the case of a control winding made of copper, the temperature variation of the copper resistance this winding can be compensated by the fact that the output voltage at the copper resistor the negative feedback coil or another copper resistor that is affected by the negative feedback current is flowed through, is removed. However, this is not always necessary.

In Weiterbildung der Erfindung ist bei Verwendung eines Shunts aus Kupfer (oder einem anderen gutleitenden Material mit starkem Temperaturgang) in den Gegenkopplungskreis ein temperaturabhängiger Widerstand gesetzt, der zum Abgriff des Ausgangssignals vorgesehen ist. Das Ausgangssignal kann also auch an einem temperaturunabhängigen Widerstand, der also nicht aus Kupfer besteht unddurch den der Gegenkopplungsstrom fließt, abgegriffen werden, wenn der Shunt und die Steuerwicklung aus Kupfer hergestellt sind. Es ist dann günstig, wenn der Shunt und die Steuerwicklung auf näherungsweise gleicher Temperatur liegen. In a further development of the invention, the use of a shunt is off Copper (or another highly conductive material with a strong temperature change) in the negative feedback circuit is set a temperature-dependent resistor that is used for tapping of the output signal is provided. The output signal can therefore also be sent to a temperature-independent Resistance, which is not made of copper and through which the negative feedback current flows, can be tapped if the shunt and the control winding are made of copper are. It is then advantageous if the shunt and the control winding are approximate same temperature.

Es hat sich weiterhin als günstig erwiesen, auf die Zeitkonstante der mit dem Shunt parallelgeschalteten Steuerwicklung Rücksicht zu nehmen. Gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind daher Shunt und/oder Wicklung des Steuermagnetfeldes derart dimensioniert bzw. der Gegenkopplungswicklung zugeordnet, daß ihre Zeitkonstanten praktisch gleich sind. Die Zeitkonstante der Steuerwicklung hat den günstigsten, d. h. kleinsten Wert, wenn die Steuerwicklung in enger magnetischer Kopplung mit der Gegenkopplungswicklung steht, weil dann der Streufluß der Steuerwicklung klein ist. Kann die trotz der magnetischen Gegenkopplung verbleibende Selbstinduktion der Steuerwicklung in einigen Fällen nicht klein genug gehalten werden, so ist es sehr zweckmäßig, die Induktivität des Shunts so zu erhöhen, daß seine Zeitkonstante gleich der Zeitkonstanten der Primärwicklung wird. It has continued to prove beneficial on the time constant the control winding connected in parallel with the shunt must be taken into account. According to A further embodiment of the invention is therefore a shunt and / or winding of the control magnetic field dimensioned in such a way or assigned to the negative feedback winding that its time constants are practically the same. The time constant of the control winding has the most favorable d. H. smallest value when the control winding is in close magnetic coupling with the negative feedback winding is because then the leakage flux of the control winding is small is. Can the self-induction remaining in spite of the magnetic negative feedback the control winding cannot be kept small enough in some cases, so it is very useful to increase the inductance of the shunt so that its time constant becomes equal to the time constant of the primary winding.

An Hand der schematischen Zeichnung eines Ausführungsbeispiels mit zwei Feldplatten werden Einzelheiten der Erfindung näher erläutert. Using the schematic drawing of an exemplary embodiment with two field plates details of the invention are explained in more detail.

Im gezeichneten Beispiel wird die am Shunt 1 anliegende Eingangsspannung U an den Shunt-Klemmen 2 und 3 abgegriffen und auf die Steuerwicklung 4 gegeben. Diese liegt zusammen mit der Vormagnetisierungswicklung 5 und der Gegenkopplungswicklung 6 auf einem Magnetkern 7, der zwei Luftspalte mit den Feldplatten 8 und 9 aufweist. An Stelle der durch die Stromquelle 10 versorgten Vormagnetisierungswicklungen 5 (bzw. Wicklung) ist häufig eine permanente Vormagnetisierung des Kerns 7 vorgesehen. Zur Erhöhung der Nullpunktstabilität sind im gezeichneten Beispiel die Feldplatten 8 und 9 mit den Festwiderständen 11 und 12 zu einer Brücke mit der Spannungsquelle 13 zusammengeschaltet. Die Vormagnetisierung dient dazu, die Widerstandsänderung der Feldplatten 8 und 9 (magnetfeldabhängige Widerstände) in den steilen Bereich von deren Kennlinie zu bringen, wo der Widerstand feldrichtungsabhängig ist (vgl. auch »Solid-State Electronics, Pergamon Press, 1965, 8, S. 365 bis 373). Die Steuerwicklung 4, der Vormagnetisierungsfluß sowie die Feldplatten 8 und 9 sind im Kern 7 einander so zugeordnet, daß bei Änderung der Steuerspannung der Widerstand der einen Feldplatte erhöht und der Widerstand der anderen Feldplatte erniedrigt wird. In the example shown, the input voltage applied to shunt 1 is U on the shunt terminals 2 and 3 tapped and on the control winding 4 given. This lies together with the bias winding 5 and the negative feedback winding 6 on a magnetic core 7, which has two air gaps with the field plates 8 and 9. Instead of the bias windings 5 supplied by the current source 10 (or winding) a permanent premagnetization of the core 7 is often provided. In the example shown, the field plates are used to increase the zero point stability 8 and 9 with the fixed resistors 11 and 12 to a bridge with the voltage source 13 interconnected. The premagnetization serves to reduce the change in resistance of the field plates 8 and 9 (magnetic field-dependent resistances) in the steep area from their characteristic curve, where the resistance is dependent on the direction of the field (cf. also »Solid-State Electronics, Pergamon Press, 1965, 8, pp. 365 to 373). The control winding 4, the bias flux and the field plates 8 and 9 are each other in the core 7 assigned so that when the control voltage changes, the resistance of one field plate increases and the resistance of the other field plate is decreased.

Durch die daraus resultierende Brückenverstimmung wird der Transistorverstärker 14, der an seinem Ausgang die Gegenkopplungswicklung 6 (bzw. die Gegenkopplungswicklungen, wenn zwei oder mehr Wicklungen 6 verwendet sind) speist. Durch die Gegenkopplungsmagnetisierung wird die auf die Steuerwicklung 4 zurückgehende Magnetisierung so weit aufgehoben, daß die verbleibende Differenz ausreicht, um den Transistorverstärker 14 auszusteuern.The transistor amplifier becomes the result of the bridge detuning 14, which has the negative feedback winding 6 (or the negative feedback windings, if two or more windings 6 are used) feeds. Due to the negative feedback magnetization the magnetization going back to the control winding 4 is canceled so far, that the remaining difference is sufficient to drive the transistor amplifier 14.

Durch geeignete Bemessung von Steuer- und Gegenkopplungsspulen treten in beiden Spulen etwa gleiche elektrische Verlustleistungen und damit gleich große Wärmeentwicklung auf. Dadurch und durch guten Wärmekontakt zwischen den beiden Spulen gibt der erfindungsgemäße Wandler ein praktisch temperaturunabhängiges Ausgangssignal ab. Step through appropriate dimensioning of control and negative feedback coils approximately the same electrical power losses in both coils and thus the same amount Heat build-up. This and the good thermal contact between the two coils the converter according to the invention gives a practically temperature-independent output signal away.

Dieses kann an der Gegenkopplungswicklung 6, die in Reihe mit dem Ausgang des Transistorverstärkers 14 liegt, z. B. mit dem Voltmeter 15, abgenommen werden.This can be done on the negative feedback winding 6, which is in series with the Output of the transistor amplifier 14 is, for. B. with the voltmeter 15 removed will.

Bei einem Teil der erfindungsgemäßen Lehre, nämlich bei Verwendung eines Shunts aus Kupfer (oder einem ähnlich gutleitenden Material mit relativ starkem Temperaturgang) ist es nicht unbedingt erforderlich, für die Steuer- und Gegenkopplungswicklungen 4 und 6 Material mit gleichen Temperaturkoeffizienten zu benutzen und die Wicklungen auf gleicher Temperatur zu halten, wenn nur der Shunt 1 und die Steuerwicklung 4 auf annähernd gleicher Temperatur liegen. Das Ausgangssignal wird in diesem Fall z. B. von dem gestrichelt gezeichneten temperaturunabhängigen Widerstand 18 mit dem Gerät 19 abgenommen, der in den Stromkreis der Gegenkopplungswicklung 6 gesetzt ist. In part of the teaching according to the invention, namely when using of a shunt made of copper (or a similar highly conductive material with a relatively strong Temperature drift) it is not absolutely necessary for the control and negative feedback windings 4 and 6 use material with the same temperature coefficient and the windings to be kept at the same temperature if only the shunt 1 and the control winding 4 are at approximately the same temperature. The output signal will in this case z. B. from the dashed line temperature-independent resistor 18 with the device 19 removed, which is placed in the circuit of the negative feedback winding 6 is.

Eine Verbesserung des erfindungsgemäßen Wandlers ergibt sich, wenn Shunt 1 und/oder Wicklung 4 des Steuermagnetfeldes derart dimensioniert bzw. der Gegenkopplungswicklung zugeordnet sind, daß ihre Zeitkonstanten praktisch gleich sind. Das kann einerseits dadurch bewirkt werden, daß die Induktivität des Shunts 1 künstlich erhöht wird, derart, daß seine Zeitkonstante gleich der Zeitkonstanten der Steuerwicklung wird. In der Zeichnung ist das mit der Induktivität 20, die in Reihe mit dem Shunt 1 liegt (Ersatzschaltbild), dargestellt. Eine Angleichung der Zeitkonstanten von Steuerwicklung 4 und Shunt 1 ist aber auch dadurch möglich, daß man die Steuerwicklung 4 auf dem Kern 7 in enge magnetische Kopplung mit der Gegenkopplungswicklung 6 bringt. An improvement in the converter according to the invention results when Shunt 1 and / or winding 4 of the control magnetic field so dimensioned or the Negative feedback winding are assigned that their time constants are practically the same are. On the one hand, this can be achieved by reducing the inductance of the shunt 1 is artificially increased so that its time constant is equal to the time constant the control winding will. In the drawing it is with the inductance 20, which is shown in Row with the shunt 1 (equivalent circuit diagram) is shown. An alignment of the Time constants of control winding 4 and shunt 1 is also possible in that the control winding 4 on the core 7 in close magnetic coupling with the negative feedback winding 6 brings.

Claims

Claims: 1. DC voltage converter with a bridge circuit with pre-magnetized as well as the control magnetic field of the direct current to be measured exposed field plates and with a DC amplifier connected to the bridge, whose output current is a negative feedback field counteracting the control magnetic field generated with a single magnetic circuit common to all field plates and magnetic fluxes, one of which is above the magnetic modulation, which is for the field plates to generate a negative feedback field is necessary is magnetically saturable, according to Patent 1616047, characterized in that when using material with the same Temperature coefficients for the windings kept at the same temperature of Control magnetic field (4) and negative feedback field (6) dimension these windings in such a way are that they are practically the same electrical power loss and practically the same Have heat dissipation to the environment, and that on the negative feedback winding (6) the tap (15) is provided for the output signal.

2. DC voltage converter according to claim 1, modified so that when using a shunt (1) made of copper or another highly conductive material with a strong temperature drift in the negative feedback circuit, a temperature-independent one Resistor (18) is set, which is provided for tapping the output signal.

3. DC voltage converter according to claim 1, characterized in that that the shunt (1) and / or winding of the control magnetic field (4) are dimensioned in such a way or the negative feedback winding (6) are assigned that their time constants are practical are the same.