DE2442223C3

DE2442223C3 - Wandler für Gleichstromsignale

Info

Publication number: DE2442223C3
Application number: DE19742442223
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Smutny
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1974-09-04
Publication date: 1977-03-03

Description

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 den Umschalter angeschlossen und mit einem als Pegelgerät vorgesehenen Stromregler verbunden ist, der ausgangsr-eitig 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 und 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 IVl die Primärwicklung eines Wandlers bezeichnet, in welcher ein Gleichstrom /1 fließt. Mit der Sekundärwicklung W2 ist ein Meßwiderstand R 1 und ein Stromgenerator SG in Reihe geschaltet. Der Stromgenerator SG prägt der Sekundärwicklung IV2 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 M besitzt zwei inverse Ausgänge +zund — 2. 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 5TW, 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 Maximal- 6.¹S wert erreicht hat.

An den mit dem Umschalter S verbundenen Andes Kondensators C ist ferner der Istwert-Eingang eines als Regelgerät RG vorgesehenen Stromreglers angeschlossen. Der Ausgang des Stromrcglers liegt an der Sekundärwicklung VV 2, so daß die Sekundärwicklung IV 2 durch den von dem Stromregler gelieferten Ausgleichstrom /3 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

F i g. 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 W1 fließenden Stromes /1 und des Ausgleichstromes /3. Im eingeschwungenen Zustand des Wandlers ist der Ausgleichstrom /3 gleich dem in der Primärwicklung IVl fließenden Strom ; 1, so daß die Linie 1 mit der Zeitachse zusammenfällt. Im Zeitpunkt /1 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 de:s Auagleichstromes /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 Sekundärwicklung 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 5an den positiven Ausgang +zder Multiplikationsstufe M geschaltet ist. Verläuft der Strom /2 dagegen von dem positiven zum negativen Maximalwert, so ist der Umschalter 5 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 W2 auftretenden Spannungsimpuls entsprechend dem Produkt aus den an den Eingängen y und χ anstehenden Größen aufgeladen.

Der Wandler arbeitet wie folgt: Durch den in der Primärwicklung IVl 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 IVl fließende Strom ; 1. Das bedeutet, daß die Linie 1 in F i g. 2a gegenüber der Zeitachse nach oben oder unten verschoben ist. An 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 + z 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 2'.yklus des Stromes /2 auftritt. Dies wird durch eine gegenüber der Dauer eines Strornzyklus große Ausregelzeit ,₀ 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 WI _(s 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 Cwährend 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 Cangeschlossen. 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 Komp^.ratorstufe 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 Wl fließenden Strom /1 ist. Daraus folgt, daß der Überschuß der Zyklen, in denen der positive Vergleichsstrom /4 an die Sekundärwicklung IV 2 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\ fließenden Stromes /1 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 Zl und Z2 angeschlossen. De erste Zähler Zl 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 einem negativen Schaltimpuls rückwärts zählt. An Ausgang dieses Zählers erscheint somit die Differenz von positiven und negativen Schaltimpulsen. In einci Vergleichsstufe V werden nach einer bestimmten An zahl von Schaltimpulsen die Zählerslände der beider Zähler zueinander in Beziehung gesetzt. Am Ausganj der VergleichsMufe Verscheint dann ein Impulssignal das dem Verhältnis des Stromes /1 und dem Ver gleichsstrom /4 proportional ist.

Bei dem beschriebenen Wandler hängt die Ge schwindigkeit, mit der die Hystereseschleife durchlau fen wird, von dem Anstieg des der Sekundärwicklunj W2 aufgeprägten Stromes /2 ab. Die Umschaltfre quenz für den Strom /2 kann frei gewählt werden. Du bei dem bekannten Wandler durch den aufzubringen den magnetischen Fluß bedingten Dimensionierungs grenzen für den Wandlerkern entfallen bei dem be schriebenen Wandler. Der Wandler kann daher mi einem sehr kleinen Kern ausgeführt werden, so da[ sich sehr kleine räumliche Abmessungen für den Wand ler ergeben.

Für den Kern des Wandlers kann ein weichmagneti sches Material mit beliebiger Hystereseschleife ver wendet werden, da der Ausgleichstrom /3 immer se eingestellt wird daß er gleich dem in der Primärwick lung IVl fließenden Strom /1 wird. Wird ein Materia mit rechteckförmiger Hystereseschleife für den Wand lerkern verwendet, so kann eine Multiplikationsstufe verwendet werden, die an dem mit der Sekundärwick lung W 2 verbundenen Eingang !ediglich überprüft, öl der an der Sekundärwicklung aufgetretene Spannungs impuls Null, positiv oder negativ ist.

Die Verwendung eines sägezahnförmig verlaufender Stromes /2 hat gewisse Vorteile wegen der Linearitä' des Stromverlaufes. Anstelle eines sägezahnförmiger Stromes kann der Sekundärwicklung 1V2 aber auch je der andere zwischen einem positiven und einem negati ven Maximalwert stetig verlaufende Strom aufgepräg werden, z. B. ein sinus- oder kosinusförmiger Strom Weiterhin besteht die Möglichkeit, das Regelgerät RC über einen taktweise gesteuerten Schalter an den Kon densator C anzuschalten. Damit bleibt der Ausgleich strom /3 während eines Zyklus des Stromes /2 exak konstant und kann jeweils zwischen zwei ZyWen nach gestellt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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 in den Sättigungszustand gelangt, und bei welchem Wandler auf der Sekundärseite eine Strommeßanordnung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (W2) durch einen mittels eines Stromgenerators (SG) erzeugten, sich zwischen zwei Maximalwerten entgegengesetzter Polarität stetig ändernden Strom (i 2) beaufschlagt und ι s parallel zur Sekundärwicklung (W2) eine Multiplikationsstufe (M) mit ihrerr einen Eingang (y) angeschlossen ist, deren anderer Eingang (ty mit einer im Stromkreis der Sekundärwicklung (W2) angeordneten Stromwerterfassungseinrichtung (R 1) verbunden ist, daß die Multiplikationsstufe (M) zwei inverse Ausgänge ( + 2, - 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 umgeschaltet ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärwicklung (W2) ein sägezahnförmiger Strom (i2) 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 (C) nach jedem vollen Stromzyklus an ein Regelgerät (RG) schaltbar ist, dessen Ausgang mit der Sekundärwicklung (W 2) 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 (W2) liegt und dessen Ausregelzeit groß gegenüber der Dauer des Stromzyklus ist.

5. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Integrierglied ein Kondensator (C) 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 ( + ;4, -/4) konstanter Größe während des folgenden Strom/yklus an die Sekundärwicklung (W2) geschaltet ist, daß lerner die Schaltimpulse der Komparaturstufe (K) einem ersten und zweiten Zähler (Zi, Zl) 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 (Z2) ein Vor- und Rückwärtszähler ist, der seinen Zählerstand bei positiven Schaltimpulsen erhöht und bei negativen Schaltimpulsen vermindert.

Die Erfindung betrifft einen Wandler für Gleichsiromsignale. 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 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 Halbleiterschaltelement bemerkbar, die zu einer ungenauen Übertragung der Gleichstromsignale führt. Die Geschwindigkeit mit der die Hys'ereseschieife 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 Umschalifnaquenz 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 Stromgenerator 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 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 Gesamtproportionalitätsfaktor bestimmt werden.

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