DE2442223A1

DE2442223A1 - Wandler fuer gleichstromsignale

Info

Publication number: DE2442223A1
Application number: DE2442223A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl Ing Smutny
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-09-04
Filing date: 1974-09-04
Publication date: 1976-03-25
Also published as: FR2284174A1; NO137466B; GB1506607A; NL7508515A; NO137466C; NO752364L; US4023100A; FR2284174B1; SE7509779L; CH582412A5; DE2442223B2; SE402179B

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen 3ί

Berlin und München Werner-vqn-Siemens-Str.

Unser Zeichen YPA 74/3206 Ml/Ca

Wandler für Gleichstromsignale

Die Erfindung betrifft einen Wandler für Gleichstromsignäle, mit einer durch die Gleichstromsignale beaufschlagten Primärwicklung, einem Kern aus weichmagnetischem Material und einer Sekundärwicklung, die durch eine elektrische Größe beaufschlagt ist, deren Polarität jeweils wechselt, sobald der Kern in den Sättigungszustand gelangt und bei welchem Wandler auf der Sekundärseite eine Strommeßanordnung vorgesehen ist.

Ein solcher Wandler ist aus der DT-AS 1 153 452 bekannt. Bei diesem bekannten Wandler ist an die Sekundärwicklung eine rechteckförmige Spannung angelegt, deren Polarität jeweils beim Erreichen des Sättigungszustandes umgeschaltet wird. Für die Einhaltung einer hohen Wandlergenauigkeit muß bei diesem Wandler das Magnetmaterial des Kernes eine rechteckfÖrmige Hystereseschleife besitzen. Die UmschaItfrequenz für die rechteckförmige Spannung wird bei diesem Wandler durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der die Hystereseschleife durchlaufen wird. Diese Umschaltfrequenz muß wesentlich unter der Schaltfrequenz der für die Umschaltung der Spannung verwendeten Halbleiuerschaltelemente liegen. Wird nämlich die Umschaltfrequenz zu hoch, so macht sich die Trägheit der Halbleiterschaltelemente bemerkbar, die zu einer ungenauen Übertragung der Gleichstromsignale führt. Die Geschwindigkeit mit der die Hystereseschleife durchlaufen wird, ist eine Funktion des für die Magnetisierung des Kernes aufzubringenden magnetischen Flusses. Um eine bestimmte Geschwindigkeit nicht zu überschreiten, darf ein bestimmter Fluß nicht unterschritten werden. Dies bedeutet aber, daß letztlich eine bestimmte

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mechanische Größe des Magnetkernes nicht unterschritten werden kann. Mit dem bekannten Wandler können die von der Computertechnik gestellten Anforderungen an die räumlichen Abmessungen nicht erfüllt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wandler für Grleichstromsignale zu schaffen, dessen magnetischer Fluß und räumliche Abmessungen unabhängig von der Umsehaltfrequenz sind und für dessen Kern weichmagnetisches Material mit beliebiger Hystereseschleife, verwendet werden kann.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch, daß die Sekundärwicklung durch einen sich zwischen zwei Maximalwerten entgegengesetzter Polarität stetig ändernden Strom beaufschlagt und parallel zur Sekundärwicklung eine Multiplikationsstufe mit ihrem einen Eingang angeschlossen ist, deren anderer Eingang mit einer im Stromkreis der Sekundärwicklung angeordneten Stromwerterfassungseinrichtung verbunden ist, daß die Multiplikationsstufe zwei inverse Ausgänge aufweist, an die die Strommeßanordnung mittels eines Umschalters anschaltbar ist, wobei der Umschalter jeweils beim Erreichen des positiven oder negativen Maximalwertes des Stromes mittels eines Steuerwerkes von dem einen auf den anderen Ausgang umgeschaltet ist.

Das am Ausgang der Multiplikationsstufe auftretende Signal ist mit einem durch die Hystereseschleife des Kernmaterials bestimmten Proportionalitätsfaktor behaftet. Außerdem geht in das Ausgangssignal der Multiplikationsstufe noch deren Proportionalitätsfaktor ein. Durch eine Eichungsmessung kann der G-esamtproportionalitätsfaktor bestimmt werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Bestimmung des Proportionalitätsfaktors dadurch entfall, daß parallel zur Strommeßanordnung ein Integrierglied an den Umsehalter angeschlossen ist und das Integrierglied nach jedem vollen

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Stromzyklus an ein Regelgerät schaltbar ist, dessen Ausgang mit der Sekundärwicklung verbunden ist.

Ein taktweises Anschalten des Zwischenspeichers kann dadurch vermieden werden, daß als Regelgerät ein Stromregler vorgesehen ist, dessen Ausregelzeit groß gegenüber der Dauer eines Stromzyklus ist.

Weiterhin ist eine Umwandlung von analogen Gleichstromeingangssignalen in digitale Ausgangssignale dadurch möglich, daß als Integrierglied ein Kondensator vorgesehen ist und an den mit dem Umschalter verbundenen Anschlußpol des Kondensators eine Komparaturstufe angeschlossen ist, welche in Abhängigkeit von der Polarität der Kondensatorladung nach jedem Stromzyklus einen positiven oder einen negativen Schaltimpuls abgibt, durch den jeweils ein positiver oder negativer Vergleichsstrom konstanter Größe während des folgenden Stromzyklus an die Sekundärwicklung geschaltet ist, daß ferner die Schaltimpulse der Komparaturstufe einem ersten und zweiten Zähler zugeführt sind, wobei der erste Zähler alle SchaItimpulse und der zweite Zähler die Schaltimpulse polaritätsabhängig zählt.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird der Gegenstand der Erfindung nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Wandler mit einem zwischen der Sekundärwicklung und dem Ausgang der Multiplikationsstufe angeschlossenen Stromregler,

Fig. 2a den zeitlichen Verlauf des der Sekundärwicklung aufgeprägten Stromes,

Fig. 2b den Verlauf der in der Sekundärwicklung induzierten Spannung,

Fig. 2c die Schalterstellungen des Umschalters,

Fig. 2d den zeitlichen Verlauf der Spannung des an den Ausgang der Multiplikationsstufe angeschlossenen Kondensators,

Fig. 3 einen Wandler mit nachgeschalteten Zählstufen.

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In Pig. 1 ist mit W1 die Primärwicklung eines Wandlers bezeichnet, in welcher ein Gleichstrom i1 fließt. Mit der Sekundärwicklung ¥2 ist ein Meßwiderstand R1 und ein Stromgenerator SG in Reihe geschaltet. Der Stromgenerator SG prägt der Sekundärwicklung W2 einen Strom i2 auf, der einen sägezahnförmigen Verlauf aufweist. Parallel an die Sekundärwicklung W2 ist der eine Eingang y einer Multiplikationsstufe M angeschlossen. Der andere Eingang χ dieser Multiplikationsstufe ist parallel an den Meßwiderstand R1 angeschlossen. Die Multiplikationsstufe M besitzt zwei inverse Ausgänge +z und -z. Die beiden inversen Ausgänge sind mittels eines Umschalters S abwechselnd an einen als Integrierglied vorgesehenen Kondensator C anschaltbar. Der Umschalter S wird durch ein Steuerwerk STW, welches außerdem mit dem Stromgenerator SG in Steuerverbindung steht, jeweils dann von dem einen auf den anderen Ausgang umgeschaltet, wenn der Strom i2 des Stromgenerators SG seinen positiven oder negativen Maximalwert erreicht hat.

An den mit dem Umschalter S verbundenen Anschlußpol des Kondensators C ist ferner der Istwert-Eingang eines als Regelgerät RG vorgesehenen Stromreglers angeschlossen. Der Ausgang des Stromreglers liegt an der Sekundärwicklung W2, so daß die Sekundärwicklung W2 durch den von dem Stromregler gelieferten Ausgleichstrom i3 beaufschlagt wird. Zwischen den Ausgang des Stromreglers und die Sekundärwicklung ist eine Strommeßanordnung MA, z.B. ein Amperemeter geschaltet, die den Wert des Ausgleichstromes ±3 anzeigt.

Fig. 2a zeigt den sägezahnförmigen Verlauf des Stromes i2. Der Strom i2 verläuft zwischen einem negativen und einem positiven Maximalwert. Die parallel zur Zeitachse eingezeichnete Linie 1 entspricht der Differenz des in der Primärwicklung W1 fließenden Stromes i1 und des Ausgleichstromes 13. Im eingeschwungenen Zustand des Wandlers ist der Ausgleichstrom i3 gleich dem in der Primärwicklung W1 fließenden Strom i1, so daß die Linie 1 mit der Zeitachse zusammenfällt. Im Zeitpunkt ti ist der

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Strom i2 gleich der Differenz des Stromes i1 und des Ausgleichstromes i3. Im Zeitpunkt t2 hat der Strom i2 seinen positiven Maximalwert erreicht und es erfolgt die Umkehrung der Polarität des Stromes i2. Im Zeitpunkt t3 herrscht wieder Gleichheit zwischen dem Strom i2 und der Differenz des Stromes i1 und des Ausgleichstromes i3.

In Fig. 2b sind die an der Sekundärwicklung W2 auftretenden Spannungsimpulse dargestellt. Die dargestellten Spannungsimpulse ergeben sich bei einem Kernmaterial mit rechteckförmiger Hystereseschleife. Das Maximum der Spannungsimpulse ist um die halbe Breite der Hystereseschleife gegenüber den Schnittpunkten der Kennlinie des Stromes i2 und der Linie 1 verschoben. Wird für den Kern des Wandlers ein magnetisches Material mit einer anderen Form der Hystereseschleife verwendet, so sind die an der Sekundärwicklung W2 auftretenden Spannungsimpulse breiter und flacher ausgebildet.

Aus Fig. 2c ist zu ersehen, daß bei einem Verlauf des Stromes i2 vom negativen zum positiven Maximalwert hin der Umschalter S an den positiven Ausgang +z der Multiplikationsstufe M geschaltet ist. Verläuft der Strom i2 dagegen von dem positiven zum negativen Maximalwert, so ist der Umschalters S an den negativen Ausgang -z geschaltet.

Fig. 2d zeigt den Spannungsverlauf an dem Kondensator C. Der Kondensator C wird bei jedem an der Sekundärwicklung W2 auftretenden Spannungsimpuls entsprechend dem Produkt aus den an den Eingängen j und χ anstehenden Größen aufgeladen.

Der Wandler arbeitet wie folgt: Durch den in der Primärwicklung W1 fließenden Strom i1 wird das Material des Kernes vormagnetisiert. Im nichteingeschwungenen Zustand des Wandlers ist der von dem Stromregler in die Sekundärwicklung W2 eingespeiste Ausgleichstrom i3 dem Betrage nach größer oder kleiner als der in der Primärwicklung W1 fließende Strom i1. Das bedeutet, daß die Linie 1 in Fig. 2a gegenüber der Zeitachse

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nach. oben oder unten verschollen ist. An der Sekundärwicklung ¥2 tritt jeweils ein Spannungsimpuls auf, wenn sich die Kennlinie des Stromes 12 mit der Linie 1 schneidet. Über den Meßwiderstand R1 wird der Multiplikationsstufe eine dem Strom i2 proportionale Spannung zugeführt. Sobald an dem Eingang y der in der Sekundärwicklung ¥2 induzierte Spannungsimpuls auftritt, erscheint an den beiden Ausgängen +z und -z der Multiplikationsstufe des Produkt aus den beiden an den Eingängen χ und y anstehenden Spannungen. Da die Spannungsimpulse an der Sekundärwicklung ¥2 stets gleich groß sind, ist das an den Ausgängen der Multiplikationsstufe M auftretende Signal dem Strom i2 proportional. Der Kondensator 0 wird somit proportional zu dem Strom 12 aufgeladen.

Der Stromregler ist so dimensioniert, daß eine wesentliche Änderung des an seinem Ausgang auftretenden Ausgleichstromes ±3 erst nach einen vollen Zyklus des Stromes i2 auftritt. Dies wird durch eine gegenüber der Dauer eines Stromzyklus große Ausregelzeit des Stromreglers erreicht. Über den Stromregler wird der Ausgleichstrom i3 entsprechend der an dem Kondensator C auftretenden Ladespannung verändert. Hierdurch wird eine allmähliche Anpassung des Ausgleichstromes ±3 an den in der Primärwicklung ¥1 fließenden Strom i1 erreicht. Im eingeschwungenen Zustand des ¥andlers ist dann der Ausgleichstrom 13 gleich dem Strom H. Durch das abwechselnde Umschalten des Kondensators 0 an den positiven und an den negativen Ausgang der Multiplikationsstufe wird erreicht, daß trotz des Polaritätswechsels des Spannungsimpulses an der Sekundärwicklung ¥2 der Kondensator 0 während eines Zyklus des Stromes i2 stets in der gleichen Richtung geladen wird.

In fig. 3 sind die mit dem in Fig. 1 dargestellten. ¥andler übereinstimmenden Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Anstelle des Stromreglers ist; "bei dem ¥andler nach Fig. 3 eine Komparatürstufe K an den mit dem Umschalter S verbundenen Anschlußpol des Kondensators C angeschlossen. Diese Korn- · paraturstufe K gibt jeweils nach einem vollen Zyklus des

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Stromes 12 in Abhängigkeit von der Polarität der Spannung an den Kondensator C einen positiven oder negativen Sehaltimpuls ab. Durch die von der Komparatorstufe K abgegebenen Schältimpulse wird ein Schaltelement S1 gesteuert, über welches in Abhängigkeit von der Polarität der Schaltimpulse ein positiver oder negativer Vergleichsstrom 14 an die Sekundärwicklung W2 geschaltet wird. Die zyklische Anschaltung des positiven bzw. negativen Vergleichsstromes erfolgt derart, daß der sich bildende Mittelwert des Ausgleichstromes i3 wiederum gleich dem in der Primärwicklung W1 fließenden Strom i1 ist. Daraus folgt, daß der Überschuß der Zyklen, in denen der positive Vergleichsstrom 14 an die Sekundärwicklung W2 angeschaltet ist, über jene Zyklen, in denen der negative Vergleichsstrom -i4 an die Sekundärwicklung ¥2 geschaltet ist, bezogen auf die Gesamtzahl der Zyklen in einem bestimmten Zeitabschnitt gleich dem Verhältnis des in der Primärwicklung W1 fließenden Stromes i1 zu dem Vergleichsstrom i4 ist.

Aufgrund dieser Beziehung zwischen dem Strom i1 und dem Vergleichsstrom 14 kann in einfacher Weise ein Analogdigitalwandler geschaffen werden. Hierzu sind an den Ausgang der Komparaturstufe K ein erster und ein zweiter Zähler Z1 und Z2 angeschlossen. Der erste Zähler Z1 zählt alle am Ausgang der Komparaturstufe K auftretenden Schaltimpulse bis zu einer vorgegebenen Anzahl. Der zweite Zähler hingegen zählt die auftretenden Schaltimpufl.se in Abhängigkeit von deren Polarität. Entsprechend der oben angegebenen Beziehung ist der zweite Zähler Z2 als Vor- und Rückwärtszähler ausgebildet. Dies bedeutet, daß dieser Zähler bei einem positiven Schaltimpuls vorwärts und bei einem negativen Schaltimpuls rückwärts zählt. Am Ausgang dieses Zählers erscheint somit die Differenz von positiven und negativen Sehaltimpulsen. In einer Vergleichsstufe V werden nach einer bestimmten Anzahl von Sehaltimpulsen die Zählerstände der beiden Zähler zueinander in. Beziehung gesetzt. Am Ausgang der Vergleichsstufe V erscheint dann ein Impulssignal, das dem Verhältnis des Stromes 11 und dem Vergleichsstrom i4 proportional ist. ' . .

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Bei dem "beschriebenen Wandler hängt die Geschwindigkeit, mit der die Hystereseschleife durchlaufen wird, von dem Anstieg des der Sekundärwicklung ¥2 aufgeprägten Stromes i2 ab. Die Umschaltfrequenz für den Strom i2 kann frei gewählt werden. Die bei dem bekannten Wandler durch den aufzubringenden magnetischen Fluß bedingten Dimensionierungsgrenzen für den Wandlerkern entfallen bei dem beschriebenen Wandler. Der Wandler kann daher mit einem sehr kleinen Kern ausgeführt werden, so daß sich sehr kleine räumliche Abmessungen für den Wandler ergeben.

Für den Kern des Wandlers kann ein weichmagnetisches Material mit beliebiger Hystereseschleife verwendet werden, da der Ausgleichsstrom i3 immer so eingestellt wird, daß er gleich dem in der Primärwicklung W1 fließenden Strom i1 wird. Wird ein Material mit rechteckförmiger Hystereseschleife für den Wamdlerkern verwendet, so kann eine Multiplikationsstufe verwendet werden, die an dem mit der Sekundärwicklung W2 verbundenen Eingang lediglich überprüft, ob der an der Sekundärwicklung aufgetrene Spannungsimpuls Null, positiv oder negativ ist.

Die Verwendung eines sägezahnförmig verlaufenden Stromes i2 hat gewisse Vorteile wegen der Linearität des Stromverlaufes. Anstelle eines sägezahnförmigen Stromes kann der Sekundärwicklung W2 aber auch jeder andere zwischen einem positiven und einem negativen Maximalwert stetig verlaufende Strom aufgeprägt werden, z.B. ein sinus- oder kosinusförmiger Strom. Weiterhin besteht die Möglichkeit, das Regelgerät RG über einen taktweise gesteuerten Schalter an den Kondensator 0 anzuschalten. Damit bleibt der Ausgleichsstrom i3 während eines Zyklus des Stromes i2 exakt konstant und kann jeweils zwischen zwei Zyklen nachgestellt werden.

6 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

.1BIEMtNS AKTIENGESELLSCHAFT νΡΔ "λ/ι-ο Vertrags- und Patentabteilung ' ^' J Patentansprüche

1. Wandler für Gleichstromsignale mit einer durch die Grleichstromsignale beaufschlagten Primärwicklung, einem Kern aus weichmagnetischem Material und einer Sekundärwicklung, die durch eine elektrische Größe beaufschlagt ist, deren Polarität jeweils wechselt, sobald der Kern in den Sätti^ungszustand gelangt, und bei welchem Wandler auf der Sekundärseite eine Strommeßanordnung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (W2) durch einen sich zwischen zwei Maximalwerten entgegengesetzter Polarität stetig ändernden Strom (i2) beaufschlagt und parallel zur Sekundärwicklung (W2) eine Multiplikationsstufe (M) mit ihrem einen Eingang (y) angeschlossen ist, deren anderer Eingang (x) mit einer im Stromkreis der Sekundärwicklung (W2) angeordneten Stromwerterfassungseinrichtung (R1) verbunden ist, daß die Multiplikationsstufe (M) zwei inverse Ausgänge (+z, -z) aufweist, an die die Strommeßanordnung (MA) mittels eines Umschalters (S) anschaltbar ist, wobei der Umschalter (S) jeweils beim Erreichen des positiven oder negativen Maximalwertes des Stromes (i2) mittels eines Steuerwerkes (STW) von dem einen auf den anderen Ausgang (+z, -z) umgeschaltet ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärwicklung (W2) ein sägezahnförmiger Strom (12.) aufgeprägt ist. .. ;

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Strommeßanordnung (MA) ein Integrierglied (C) an den Umschalter (S) angeschlossen ist und das Integrierglied (G) nach jedem vollen Stromzyklus an ein Regelgerät (RG) schaltbar ist, dessen Ausgang mit der Sekundärwicklung (W2) verbunden ist.

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4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als

Regelgerät ein Stromregler vorgesehen ist, dessen Ausregelzeit groß gegenüber der Dauer eines StromzykiLus ist.

5. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Integrierglied ein Kondensator (G) vorgesehen und an den mit dem Umschalter (S) verbundenen Anschlußpol des Kondensators (C) eine Komparatorstufe (K) angeschlossen ist, welche in Abhängigkeit von der Polarität der Kondensatorladung nach jedem Stromzyklus einen positiven oder negativen Schaltimpuls abgibt, durch den jeweils ein positiver oder negativer Vergleichsstrom (+i4, -i4) konstanter Größe während des folgenden Stromzyklus an die Sekundärwicklung (W2) geschaltet ist, daß ferner die Schaltimpulse der Komparaturstufe (K) einem ersten und zweiten Zähler (Z1, Z2) zugeführt sind, wobei der erste Zähler (Z1) alle Schaltimpulse und der zweite Zähler (Z2) die Schaltimpulse polaritätsabhängig zählt.

6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zähler (Z2) ein Vor- und Rückwärtszähler ist, der seinen Zählerstand bei positiven Schaltimpulsen erhöht und bei negativen Sehaltimpulsen vermindert.

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L e e r s e ite