DE2442223B2

DE2442223B2 - Wandler fuer gleichstromsignale

Info

Publication number: DE2442223B2
Application number: DE19742442223
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Smutny
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-09-04
Filing date: 1974-09-04
Publication date: 1976-07-08
Also published as: NL7508515A; SE7509779L; SE402179B; GB1506607A; FR2284174B1; FR2284174A1; NO137466C; DE2442223A1; NO752364L; US4023100A; CH582412A5; NO137466B

Description

Die Erfindung betrifft einen Wandler für Gleichstromsignale, 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 ic den Sättigungszustand gelangt und bei welchem Wandler auf der Sekundärseite eine StrommeBanordnung vorgesehen ist

Ein solcher Wandler ist aus der DT-AS 11 53 452 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 Umschaltfrequenz 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 Halbleiterschaltelemente liegen. Wird nämlich die Umschaltfrequenz zu hoch, so macht sich die Trägheit der Halbleiterschaltelernente 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 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 Gleichstromsignale zu schaffen, dessen magnetischer Fluß und räumliche Abmessungen unabhängig von der Umschaltfrequenz 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 mittels eines Stromgenerators erzeugten, 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 Umsch.i
ter 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 Gesamtproportionalitätsfaktor bestimmt werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Bestimmung des Proportionalitätsfaktors da-

durch entfallen, daß parallel zur Strommeßanordnung ein Integrierglied an den Umschalter angeschlossen ist und das Integrierglied nach jedem vollen Stromzyklus an ein Regelgerät schaltbar ist, dessen Ausgang mit der Sekundärwicklung verbunden ist

Ein taktweises Anschalten des Zwischenspeichers kann dadurch vermieden werden, daß parallel zur Strommeßanordnung ein Integrierglied an dsn Umschalter angeschlossen und mit einem als Pegelgerät vorgesehenen Stromregler verbunden ist der ausgangsseitig an der Sekundärwicklung liegt und 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 Schaltimpulse 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

F i g. 1 einen Wandler mit einem zwischen der Sekundärwicklung unJ dem Ausgang der Multiplikationsstufe angeschlossenen Stromregler,

F i g. 2a den zeitlichen Verlauf des der Sekundärwicklung aufgeprägten Stromes,

F i g. 2b den Verlauf der in der Sekundärwicklung induzierten Spannung,

F i g. 2c die Schalterstellungen des Umschalters,

F i g. 2d den zeitlichen Verlauf der Spannung des an den Ausgang der Multiplikationsstufe angeschlossenen Kondensators,

F i g. 3 einen Wandler mit nachgeschalteten Zählstufen.

In F i g. 1 ist mit Wl die Primärwicklung eines Wandlers bezeichnet, in welcher ein Gleichstrom /I fließt. Mit der Sekundärwicklung IV2 ist ein Meß widerstand R 1 und ein Stromgenerator SG in Reihe geschaltet. Der Stromgenerator SG prägt der Sekun- därwicklung W2 einen Strom /2 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 R 1 angeschlossen. Die Multiplikationsstufe Mbesitzt zwei inverse Ausgänge +ζund -ζ. Die beiden inversen Ausgänge sind mittels eines Umschalters S abwechselnd an einen als Integrierglied vorgesehenen Kondensator C anschaltbar. Der Umschalter 5 ou 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 /2 des Stromgenerators SG seinen positiven oder negativen Maxima!- ^f>5 wert erreicht hat.

An den mit dem Umschalter S verbundenen Anschlußool 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 j'3 beaufschlagt wird. Zwischen den Ausgang des Stromreglers und die Sekundärwicklung ist eine Strommeßarordnung MA, z. B. ein Amperemeter geschaltet die den Wert des Ausgleichstromes /3 anzeigt

Fig.2a zeigt den sägezahnförmigen Verlauf des Stromes /2. Der Strom /2 verläuft zwischen einem negativen und einem positiven Maximalwert Die parallel zur Zeitachse eingezeichnete linie 1 entspricht der Differenz des in der Primärwicklung Wi fließenden Stromes /1 und des Ausgleichstromes /3. Im eingeschwungenen Zustand des Wandlers ist der Ausgleichstrom /3 gleich dem in der Primärwicklung Wi fließenden Strom /1, so daß die linie I mit der Zeitachse zusammenfällt Im Zeitpunkt t i ist der Strom /2 gleich der Differenz des Stromes /1 und des Ausgleichstromes /3. Im Zeitpunkt f 2 hat der Strom /2 seinen positiven Maximalwert erreicht und es erfolgt die Umkehrung der Polarität des Stromes /2. Im Zeitpunkt f 3 herrscht wieder Gleichheit zwischen dem Strom /2 und der Differenz des Stromes /1 und des Ausgleichstromes /3.

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 /2 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 Sekundär wicklung W2 auftretenden Spannungsimpulse breiter und flacher ausgebildet.

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

F i g. 2d zeigt den Spannungsverlauf an dem Kondensator C. Der Kondensator C wird bei jedem an der Sekundärwicklung Wl auftretenden Spannungsimpuls entsprechend dem Produkt aus den an den Eingängen y und * anstehenden Größen aufgeladen.

Der Wandler arbeitet wie folgt: Durch den in der Primärwicklung W t fließenden Strom /1 wird das Material des Kernes vormagnetisiert. Im nichteingeschwungenen Zustand des Wandlers ist der von dem Stromregler in die Sekundärwicklung W2 eingespeiste Ausgleichstrom /3 dem Betrage nach größer oder kleiner als der in der Primärwicklung Wl fließende Strom 11. Das bedeutet, daß die Linie 1 in F 1 g. 2a gegenüber der Zeitachse nach oben oder unten verschoben ist. *\n der Sekundärwicklung W2 tritt jeweils ein Spannungsimpuls auf, wenn sich die Kennlinie des Stromes /2 mit der Linie 1 schneidet. Über den Meßwiderstand R 1 wird der Multiplikationsstufe eine dem Strom /2 proportionale Spannung zugeführt. Sobald an dem Eingang y der in der Sekundärwicklung W2 induzierte Spannungsimpuls auftritt, erscheint an den beiden Ausgängen + 7 und —z der Multiplikationsstufe das Produkt aus den beiden an den Eingängen χ und y anstehenden Spannungen. Da die Spannungsimpulse an der

Sekundärwicklung W2 stets gleich groß sind, ist das an den Ausgängen der Multiplikationsstufe M auftretende Signal dem Strom /2 proportional. Der Kondensator C wird.somit durch einen Strom aufgeladen, der dem Strom /2 proportional ist.

Der Stromregler ist so dimensioniert, daß eine wesentliche Änderung des an seinem Ausgang auftretenden Ausgleichstromes /3 erst nach einem vollen Zyklus des Stromes /2 auftritt. Dies wird durch eine gegenüber der Dauer eines Stromzyklus große Ausregelzeit des Stromreglers erreicht. Über den Stromregler wird der Ausgleichstrom /3 entsprechend der an dem Kondensator C auftretenden Ladespannung verändert. Hierdurch wird eine allmähliche Anpassung des Ausgleichstromes /3 an den in der Primärwicklung Wl fließenden Strom /1 erreicht Im eingeschwungenen Zustand des Wandlers ist dann der Ausgleichstrom /3 gleich dem Strom /1. Durch das abwechselnde Umschalten des Kondensators C an den positiven und an den negativen Ausgang der Multiplikationsstufe wird erreicht, daß trotz des Polaritätswechsels des Spannungsimpulses an der Sekundärwicklung W2 der Kondensator C während eines Zyklus des Stromes /2 stets in der gleichen Richtung geladen wird.

In F i g. 3 sind die mit dem in F i g. 1 dargestellten Wandler übereinstimmenden Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Anstelle des Stromreglers ist bei dem Wandler nach F i g. 3 eine Komparaturstufe K an den mit dem Umschalter S verbundenen Anschlußpol des Kondensators C angeschlossen. Diese Komparaturstufe K gibt jeweils nach einem vollen Zyklus des Stromes /2 in Abhängigkeit von der Polarität der Spannung an den Kondensator C einen positiven oder negativen Schaltimpuls ab. Durch die von der Komparatorstufe K abgegebenen Schaltimpulse wird ein Schaltelement S1 gesteuert über welches in Abhängigkeit von der Polarität der Schaltimpulse ein positiver oder negativer Vergleichsstrom /4 an die Sekundärwicklung W2 geschaltet wird. Die zyklische Anschaltung des positiven bzw. negativen Vergleichsstromes erfolgt derart, daß der sich bildende Mittelwert des Ausgleichstromes /3 wiederum gleich dem in der Primärwicklung^ Wi fließenden Strom /1 ist Daraus folgt daß der Überschuß der Zyklen, in denen der positive Vergleichsstrom /4 an die Sekundärwicklung W2 angeschaltet ist, über jene Zyklen, in denen der negative Vergleichsstrom — /4 an die Sekundärwicklung W2 geschaltet ist bezogen auf die Gesamtzahl der Zyklen in einem bestimmten Zeitabschnitt gleich dem Verhältnis des in der Primärwicklung W i fließenden Stromes J1 zu dem Vergleichsstrom /4 ist

Aufgrund dieser Beziehung zwischen dem Strom /1 und dem Vergleichsstrom /4 kann in einfacher Weise ein Analogdigitalwandler geschaffen werden. Hierzu sind an den Ausgang der Komparaturstufe K ein erster und ein zweiter Zähler ZX und Z 2 angeschlossen. De erste Zähler Z1 zählt alle am Ausgang der Kompara turstufe K auftretenden Schaltimpulse bis zu einer vor gegebenen Anzahl. Der zweite Zähler hingegen zähl die auftretenden Schaltimpulse in Abhängigkeit von de ren Polarität Entsprechend der oben angegebenen Be Ziehung ist der zweite Zähler Z2 als Vor- und Rück wärtszähler ausgebildet Dies bedeutet, daß dieser Zäh ler bei einem positiven Schaltimpuls vorwärts und be

ίο einem negativen Schaltimpuls rückwärts zählt. Arr Ausgang dieses Zählers erscheint somit die Differenz von positiven und negativen Schaltimpulsen. In einei Vergleichsstufe V werden nach einer bestimmten An zahl von Schaltimpulsen die Zählerstände der beider Zähler zueinander in Beziehung gesetzt. Am Ausgang der Vergleichsstufe V erscheint dann eim Impulssignal das dem Verhältnis des Stromes /1 und dem Vergleichsstrom /4 proportional ist

Bei dem beschriebenen Wandler hängt die Geschwindigkeit, mit der die Hystereseschleife durchlaufen wird, von dem Anstieg des der Sekundärwicklung W2 aufgeprägten Stromes /2 ab. Die Umschaltfrequenz für den Strom /2 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 Ausgleichstrom /3 immer so eingestellt wird, daß er gleich dem in der Primärwicklung Wt fließenden Strom /J wird. Wird ein Material mit rechteckförmiger Hystereseschleife für den Wandlerkern verwendet so kann eine Multiplikationsstufe verwendet werden, die an dem mit der Sekundärwicklung W2 verbundenen Eingang lediglich überprüft, ob der an der Sekundärwicklung aufgetretene Spannungsimpuls Null, positiv oder negativ ist

Die Verwendung eines sägezahnförmig verlaufenden Stromes /2 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 AG über einen taktweise gesteuerten Schalter an den Kondensator C anzuschalten. Damit bleibt der Ausgleichstrom /3 während eines Zyklus des Stromes /2 exakt konstant und kann jeweils zwischen zwei Zyklen nachgestellt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

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Patentansprüche:

I. Wandler tür Gleichstromsignale 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 StrommeBanordnung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (W2) durch einen mittels eines Stromgenerators (SG) erzeugten, sich zwischen zwei Maximalwerten entgegengesetzter Polarität stetig ändernden Strom (72) 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 (W 2) angeordneten Stromwerterfassungseinrichtung (RX) verbunden ist, daß die Multiplikationsstufe (M) zwei inverse Ausgänge ( + 2. — 2) 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 (72) mittels eines Steuerwerkes (STW) von dem einen auf den anderen Ausgang umgeschaltet ist
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Sekundärwicklung (W 2) ein säge zahnförmiger Strom (H) aufgeprägt ist
3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß parallel zur Strommeßanordnung (MA) ein lntegriergüed (C) an den Umschalter (S) angeschlossen ist und das Integrierglied (C) nach jedem vollen Stromzyklus an ein Regelgerät (RG) schaltbar ist dessen Ausgang mit der Sekundärwicklung (W2) verbunden ist
4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß parallel zur Strommeßanordnung (MA) ein Integrierglied (C) an den Umschalter (S) angeschlossen und mit einem als Regelgerät (RG) vorgesehenen Stromregler verbunden ist der ausgangsseitig an der Sekundärwicklung (W 2) liegt und dessen Ausregelzeit groß gegenüber der Dauer des Stromzyklus ist.
5. Wandler nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet daß als lntegriergüed ein Kondensator (C) vorgesehen und an den mit dem Umschalter (S) verbundenen Anschlußpol des Kondensators (C) eine Komparatorstufe (K) angeschlossen ist, weiche in Abhängigkeit von der Polarität der Kondensatorladung nach jedem Stromzyklus einen positiven oder negativen Schaltimpuls abgibt durch den jeweils ein positiver oder negativer Vergleichsstrom ( + /4, — /4) konstanter Größe während des folgenden Stromzyklus an die Sekundärwicklung (W2) geschaltet ist, daß ferner die Schaltimpulse der Komparaturstufe (K) einem ersten und zweiten Zähler (Zi, Z 2) zugeführt sind, wobei der erste Zähler (ZX) alle Schaltimpulse und der zweite Zähler (Z2) die Schaltimpulse polaritätsabhängig zählt.
6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zähler (Z 2) ein Vor- und Rückwärtszähler ist, der seinen Zählerstand bei positiven Schaltimpulsen erhöht und bei negativen Schaltimpulsen vermindert.

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