DE2554126A1

DE2554126A1 - Magnetischer spannungskonstanthalter

Info

Publication number: DE2554126A1
Application number: DE19752554126
Authority: DE
Inventors: Hobart Atsushi Higuchi; Lawrence Paul Trubell
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-12-16
Filing date: 1975-12-02
Publication date: 1976-06-24
Also published as: JPS5177820A; JPS5530285B2; FR2295545B1; IT1051060B; GB1524723A; FR2295545A1; US3965408A

Description

Böblingen, den 24. November 1975 ar-fr

Amtliches Aktenzeichen:

Neuanmeldung

Aktenzeichen deß Änmelderin: SA 974 031

Magnetischer Spannungskonstanthalter

Diese Erfindung betrifft einen magnetischen Spannungskonstanthalter für von Wechselstrom gespeiste Stromversorgungsgeräte mit einem Resonanztransformator, in dem sich wenigstens ein magnetischer Haupt- und ein Nebenschluß bildet, bestehend aus wenigstens einem E- und I-förmigen Kernstück, einer Primär- und j einer Sekundärwicklung, einer mit einem Kondensator verbundenen Hilfswicklung die einen in der Frequenz der Speisespannung !schwingenden Resonanzkreis bilden und einer, den magnetischen ■Sättigungszustand wenigstens in einem Schenkel eines Kernstückes !beeinflussenden, von einem veränderlichen Strom durchflossenen 'Steuerwicklung.

Derartige magnetische Spannungskonstanthalter mit Resonanztransformatoren werden sehr häufig in Stromversorgungsgeraten verwendet, bei denen eine gute Konstanz der Ausgangsspannung bei veränderlicher Belastung und/oder schwankender Speisespannung geforjdert wird. Diese Spannungskonstanthalter mit Resonanztransformajtoren dienen auch als Spannungswandler und sie sind durch entsprechende Wahl der Windungsverhältnisse in den Wicklungen an 'die jeweiligen Betriebserfordernisse gut anzupassen. Eingangs-

!oder primärseitig werden sie von einem Wechselstrom möglichst konstanter Frequenz gespeist, z.B. aus dem allgemeinen Ortsnetz,

aus Notstromaggregaten, oder von höher frequenten Bordnetzen von Luftfahrtgeräten, Schiffen, usw.

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Ausgangsseitig liefern diese magnetischen Spannungskonstanthalter je nach ihrer Konstruktion entweder Wechsel- oder Gleichstrom.

Der erfindungsgemäße magnetische neue Spannungskonstanthalter ist eine fortschrittliche Weiterentwicklung, die den Zweck hat, eine noch bessere Spannungskonstanz und eine einfachere Gesamtkonstruktion zu erhalten um einen wirtschaftlichen Einsatz der relativ teueren Geräte zu ermöglichen. Insbesondere in Datenverarbeitungsanlagen, die elektronische Schaltungskreise enthalten, bei denen die Hochgeschwindigkeitstransistoren durch sehr kleine Spannungsänderungen geschaltet werden, ist eine gute Spannungskonstanz bei den relativ niedrigen Versorgungsgleichspannungen bei stark schwankender Belastung erforderlich.

Von den bekannten magnetischen Spannungskonstanthaltern gibt es leine große Anzahl von verschiedenen Ausführungsarten, die in ihrem j Wirkungsprinzip auf der Verwendung eines Resonanzkreises basieren, !dessen mit einem Kondensator verbundene Wicklung ein Bestandteil , !eines sogenannten ferromagnetischen Resonanztransformators ist. ;Ein derartiger Resonanztransformator enthält außerdem wenigstens noch eine Primär- und eine Sekundärwicklung, die auf einem magne- !tisierbaren, vorzugsweise aus beschichteten Blechen gebildeten. '. Kern, der in sich geschlossen ist, angeordnet sind. In dem ge-•schlossenen Kern bildet sich ein magnetischer Hauptfluß und j zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung entsteht ein magnetischer Streufluß, der durch einen magnetischen Nebenschlußkreis verläuft, welcher meistens einen Luftspalt aufweist. Der vorzugsweise auf die Frequenz der Speisespannung abgestimmte Resonanzkreis bewirkt schon bei einer geringen Anregung im Kernkreis kräftige magnetische Flußschwingungen, so daß ein Teil des Kernes in den Sättigungsbereich kommt. Der Resonanzeffekt und die Arbeitsweise des Transformators im Sättigungsbereich bewirken, daß der magnetische Spannungskonstanthalter gegen primäre Spannungsschwankungen und sekundäre Belastungsänderungen ziemlich unempfindlich ist.

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In der deutschen Patentschrift 930 885 ist eine derartige Einrichtung zur Konstanthaltung der Verbraucherspannung in einer
elektrischen Stromverteilungsanlage beschrieben. Bei dieser
bekannten Stabilisierungseinrichtung ist die Sekundärwicklung
mit einer Hilfswicklung kombiniert, die an die Primärwicklung
gekoppelt ist. Der Kern ist aus einem I- und E-förmigen Kernstück
gebildet, wobei der mittlere Ε-Schenkel kürzer ist und einen
Luftspalt zum I-Kernstück bildet. Die deutsche Offenlegungsschrift 1 763 336 betrifft einen magnetischen Spannungskonstanthalter, bestehend aus einem Transformator mit einem Streuflußweg
zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung und mit einem zu
einer Wicklung parallel geschalteten Resonanzkondensator, wobei
der Transformator noch eine Gleichstrom gespeiste Magnetisierungswicklung zur Beeinflussung der magnetischen Sättigung des
Transformatorkernes enthält. In der deutschen Offenlegungsschrift 1 948 496 ist ein ferroresonanter Spannungskonstanthalter
beschrieben, dessen geschichteter Transformatorkern aus Blechen
eines einzigen Blechschnittes besteht und bei dem zur Stabilisierung der Ausgangsspannung ein Spannungsintegrierglied vorgesehen

list. Andere ferroresonante Spannungsregler, die einen einstückigen j j ι

Kern-Blechschnitt aufweisen, sind in den deutschen Offenlegungs-

ίSchriften 2 160 974, 2 246 513 beschrieben. ;

_;Dem Fachmann ist bekannt, daß bei magnetischen Spannungskonstant- ' j haltern, bei denen eine gute Spannungskonstanz in engen Toleranz- j grenzen gefordert wird, die Geräte mechanisch und elektrisch | (abgeglichen werden müssen. Dabei ist es bei Geräten, die zwei j oder mehr verschiedene Ausgangsspannungen liefern müssen, mei- j stens schwierig und kostspielig eine genaue Einstellung vorzu- ! nehmen. Um günstigere Verhältnisse zu erzielen, wurde eine in ; der deutschen Offenlegungsschrift 2 212 697 beschriebene sta- · bilisierte Netzgleichrichteranordnung bekannt, bei der Scheibenwicklungen den MitteIschenkel eines E-förmigen Kernstückes umgeben, auf dessen Schenkelenden ein I-förmiges Kernstück angeordnet ist.

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Die bekannten magnetischen Spannungskonstanthalter mit Resonanztransformatoren sind im Vergleich zu den elektronisch geregelten Spannungskonstanthaltern, die vorwiegend transistorisierte Schaltungskreise aufweisen, ziemlich voluminös, schwer und teurer Außerdem entstehen durch das große Aktivmaterial relativ größere elektrische Verluste. Zur Verringerung dieser Nachteile wurde ein in der deutschen Offenlegimgsschrift 2 222 652 beschriebener Ferroresonanzstabilisator geschaffen, der eine Kompensations-Rückkopplung swicklung und eine mit der Primärwicklung in Reihe verbundene Filterdrossel enthält.

Da keiner der bekannten magnetischen Spannungskonstanthalter gleichzeitig die geforderten günstigen Eigenschaften aufweist, hinsichtlich sehr guter Spannungskonstanz bei schwankender Speisespannung und/oder variabler Belastung, einen kompakten einfachen ;Aufbau, relativ geringes Gewicht, Vermeidung von speziellen !Einstellungen bei der Montage und der außerdem eine wirt-'schaftliche günstige Fertigung ermöglicht, ist es eine Aufgabe (der Erfindung, einen verbesserten magnetischen Spannungskonstantihalter zu schaffen, der die vorstehend erwähnten Forderungen erfüllt. Eine andere sehr wesentliche Zielstellung der Aufgabe 'ist, daß der elektromagnetische Spannungskonstanthalter mit einer ■selbsttätigen Regeleinrichtung versehen wird, die auch die Aus- :gangsspannung bei schwankender Frequenz der primären Speise- !Wechselstromquelle konstant hält.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen den einander gegenüberstehenden Enden eines C förmigen Kernstückes und den äußeren Schenkeln des E-förmigen Kernstückes das I-förmige Kernstück angeordnet ist, daß einerseits zwischen dem E- und dem I-förmigen Kernstück und andererseits zwischen dem mittleren Schenkel des E-förmigen Kernstückes und dem I-förmigen Kernstück ein Luftspalt besteht, daß die eine Filterdrossel bildende Primärwicklung auf dem I-förmigen Kernstück angeordnet ist, daß auf den beiden äußeren Schenkeln des E-

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förmigen Kernstückes sich jeweils eine Sekundärwicklung und eine mit dem Resonanzkondensator verbundene Hilfswicklung befindet und daß auf dem mittleren Schenkel des E-förmigen Kernstückes die Steuerwicklung angeordnet ist.

Der erfindungsgemäße magnetische Spannungskonstanthalter in einem Stromversorgungsgerat dient vorwiegend zur übertragung elektrischer Energie bestimmter Spannung von einer Wechselstrom-Speise- : quelle zu einer Last und liefert an diese eiSe/'MiSgangsspannung. ' Sein Resonanztransformator enthält einen aus drei zusammengefügten: Kernstücken gebildeten Kern, die eine C, eine I-- und eine E-Form ' aufweisen und im zusammengesetzten Zustand eine Einheit bilden, . welche durch Befestigungsmittel zusammengehalten wird. Diese drei Kernstücke bestehen jeweils aus einem Stapel von übereinj andergeschichteten Transformator-Blechen. Die verschiedenen !Wicklungen des Transformators sind als Solenoidspulen gestaltet., idie auf die Schenkel der Kernstücke in einer bestimmten Anordnung, die folgend noch erklärt wird, aufgeschoben sind. Die Primärwicklung wird aus zwei Spulen gebildet, die auf das I-förmige !Kernstück so aufgeschoben sind, daß sich die eine Spule links iund die andere Spule rechts neben dem mittleren Schenkel des E-förmigen Kernstückes befindet. Diese beiden primären Spulen ■sind miteinander so verbunden und so angeschlossen, daß in der einen Halbperiode des primären Speisestromes die eine Spule einen magnetischen Fluß in einer bestimmten Richtung erzeugt und daß in !der anderen Halbperiode des Speisestromes die andere Spule einen magnetischen Fluß in entgegengesetzter Richtung erzeugt. Durch diese Anordnung der beiden Primärspulen wechselt der magnetische Fluß bei jeder Halbperiode des Speisestromes seine Richtung.

Das C-förmige Kernstück, dessen Länge gleich ist der Länge des jl-förmigen Kernstückes, ist benachbart dem I-förmigen Kernstück so angeordnet, daß zwischen den Schenkelenden des C~förmigen Kernstückes und dem I-förmigen Kernstück wenigstens ein Luftspalt besteht. Diese aus den beiden Primärwicklungen, den beiden

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I-· und C-Kernstücken bestehende Anordnung bildet eine Filterdrossel im primären Eingangskreis des Transformators _s welche als Glättungsdrossel im magnetischen Spannungskonstanthalter "wirkt.

Das E-förmige Kernstück ist ebenfalls benachbart dem I-förmigen Kernstück, auf dessen dem C-Kernstück gegenüberliegender Seite angeordnet, so, daß ebenfalls ein Luftspalt zwischen dem mittleren Schenkel des E-förmigen Kernstück und dem I-förmigen Kernstück besteht. Dieser Luftspalt dient zur Stabilisierung des Durchgriffs, bzw. der Wirkungsstärke eines Regelungskreises welcher noch ausführlicher beschrieben wird.

Die Sekundärwicklung des Transformators wird aus zwei einzelnen Spulen gebildet, von denen jeweils eine auf einen äußeren Schenkel des E-förmigen Kernstückes aufgeschoben ist. Zwecks Speisung einer Last mit einem Gleichstrom, bzw. zur Versorgung dieser mit einer Gleichspannung, sind diese beiden Sekundärwicklungen mit einer Vollweggleichrichterschaltung verbunden, die an ihrem Ausgang die Gleichspannung liefert. Die zum Resonanzkreis gehörende Hilfswicklung wird ebenfalls aus zwei einzelnen Solenoidspulen gebildet, von denen jeweils eine auf einen äußeren Schenkel des E-förmigen Kernstückes aufgeschoben ist. Diese beiden Hilfsspulen sind mit den beiden Anschlüssen eines Kondensators verbunden ι und sie bilden mit diesem einen Resonanzkreis, der, bezogen auf . die Frequenz der die Primärspulen speisenden Wechselstromquelle in einer vorbestimmten Frequenz schwingt. Es wurde festgestellt, daß in manchen Ausführungsarten des Resonanztransformators und in bestimmten Anwendungsfällen es zweckmäßig ist, im Resonanzkreis bei beiden Spulen zwischen dem einen Anschluß der Spule und dem Kondensator jeweils in Reihe eine Diode anzuordnen.

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Auf den mittleren Schenkel des E-förmigen Kernstückes ist die ;Steuerwicklung in Form einer Solenoidspule aufgeschoben. Diese !Steuerungswicklung steht in einem bestimmten Kupplungsverhältnis, jbzw. Zusammenhang zu dem magnetischen Fluß, welcher den mittleren : Schenkel des E-förmigen Kernstückes durchdringt. Diese Steue- ι rungswicklung wird von einem Gleichstrom durchflossen, dessen ; Größe zu jeder Zeit unabhängig ist von dem den Resonanztransformator speisenden Wechselstrom, bzw. von der induzierten Wechsel- [ spannung. Dieser die Steuerungswicklung beeinflussende Strom ist ein Gleichstrom, der vom Ausgang des Spannungskonstanthalters t
!abgeleitet wird, an dem die von den. Sekundärwicklungen und der Gleichrichtereinrichtung erzeugte und die Last speisende Gleichspannung zur Verfügung steht. Die Steuerungswicklung ist in Reihe mit einem Potentiometer und/oder einem Widerstand, mit diesem Gleichspannungsausgang verbunden. Der diese Steuerungswicklung durchfließende Gleichstrom ist somit auf einen bestimmten Xiert einstellbar, außerdem ist seine Größe direkt proportional zu der Gleichspannung, welche als Speisespannung für die an den Ausgang angeschlossene schwankende Belastung dient. Durch die Energie des Wechselstromes der auf die Primärseite des Transformators einwirkt und durch das magnetische Feld der vom Gleichstrom durchflossenen Steuerungsspule wird der Kern des Transformators in den magnetischen Sättigungsbereich getrieben. Der steuernde Gleichstrom ist in seiner Stärke direkt abhängig Von dem momentanen Spannungswert der Ausgangsspannung, die auf i i i

dem vorbestimmten Wert genau konstant gehalten werden soll. j

' I

{Bei den bekannten magnetischen Spannungskonstanthaltern bewirkt i bine Schwankung der Frequenz des primären Speisestromes eine j Entsprechende Änderung der Ausgangsspannung des Resonanztransfortnators und somit eine Abweichung vom Sollwert. Der erfindungsge-I mäße magnetische Spannungskonstanthalter hingegen ist gegen ;solche Einflüsse einer Frequenzänderung unempfindlich und er hält durch seine Steuereinrichtung die Ausgangsspannung konstant.

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Zum besseren Verständnis der Erfindung werden folgend Aaaführttngsbeispiele des erfindungsgemaßen Spannungskonstanthalters anhand ι von Zeichnungen, Figuren 1-4 ausführlicher beschrieben» Von den } Zeichnungen stellen dar;

Fig. 1 in einer Perspektivansicht den Resonanz-

; transformator des magnetischen Spannungs

konstanthalters .

' Fig. 2 eine schematische Ansicht des magnetischen

Spannungskonstanthalters _r die die prinzipielle Anordnung der drei Kernstücke zeigt, sowie die Anordnung der Wicklungsspulen und das prinzipielle Schaltbild dieses Stromversorgungsgerätes .

Fig. 3 zeigt ein Diagramm von zwei charakterischen

Magnetisierungskennlinien (B, als Funktion von H) des Resonanztransformators im magnetischem Spannungskonstanthalter.

Fig. 4 zeigt ein schematisches Schaltbild eines

alternativen Ausführungsbeispieles von einem magnetischen Spannungskonstanthalter.

Der magnetische Spannungskonstanthalter dieses ersten Ausführungsbeispieles dient als Stromversorgungsgerät, das eingangsseitig von Wechselstrom gespeist wird und das ausgangsseitig eine konstante Gleichspannung liefert, auch bei einer schwankenden Belastung. Dieser magnetische Spannungskonstanthalter enthält als wesentlichstes Bestandteil einen Resonanztransformator (10) der in Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht abgebildet ist.

Der magnetisierbar Kern dieses Transformators 10 besteht aus einet

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Anzahl von geschichteten gestanzten Transformatorblechen, die zu einem Paket zusammengefaßt sind, das durch vier L-förmige Montagewinkelstücke 11 fest zusammengepreßt wird, über diesen Tran£ formator 10 kann man noch ein nicht abgebildetes Gehäuse stülpen, das ebenfalls den Transformator zusammenhält. Der magnetisierbare Kern des Transformators 10 ist aus drei lamenierten Kernstücken 16, 18, 20 zusammengesetzt, die eine I-, C- und E-förmige Gestalt haben und jeweils eine gleiche Dicke aufweisen. Das I-förmige Kernf stück 16 ist zentral zwischen den Schenkelenden der beiden einander gegenüberstehenden C- und E-förmigen Kernstücke 16, 18 angeordnet und seine Länge entspricht der der anderen beiden !Kernstücke 16, 18.

IAuf das I-förmige Kernstück 16 sind zwei Solenoidspulen 22, 24 'aufgeschoben, welche die Primärwicklung des Transformators bilden. Diese beiden Spulen 22, 24 sind auf dem I-förmigen Kernstück 16 so angeordnet, daß sie sich seitlich links und rechts vom mittleren Schenkel des E-förmigen Kernstückes 2O befinden. Das C-förmige jKernstück 18 trägt keine Wicklungsspulen und es ist über dem I-förmigen Kernstück 16 so angeordnet, daß sich zwei kleine iLuftspalte an den beiden Schenkelenden, bzw. in dem magnetischen ιKreis ergeben der aus den beiden Kernstücken 16, 18 gebildet wird. ■Diese vorstehend aus den beiden Kernstücken 16, 18, den Luftspaljten 26 und den Primärspulen 22, 24 gebildeten Struktur wirkt als ' !Filterdrossel, deren Zweck noch ausführlicher beschrieben wird. ■

Das E-förmige Kernstück 20, dessen mittlerer Schenkel die doppelte Breite wie ein Außenschenkel aufweist und dessen Länge etwas kürzer ist als die beiden Außenschenkel ist ebenfalls benachbart dem I-förmigen Kernstück 16, auf der dem C~förmigen Kernstück 18 gegenüberliegenden Seite angeordnet. Zwischen dem I-förmigen Kernstück 16 und dem mittleren Schenkel des E-förmigen Kernstückes 2O besteht ein Luftspalt 32., der in den magnetischen Kreis des Transformators 10 mit einbezogen ist. Auch den beiden äußeren Schenkeln des E-förmigen Kernstückes 20 ist jeweils eine Solenoidspule 27, 28 angeordnet, die Teilwicklungen enthalten, welche der Sekundärwicklung und der Hilfswicklung zugeordnet sind. Auch die beiden

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Primärspulen 22, 24, die sich auf dem I-förmigen Kernstück 16 : befinden, sind zu betrachten als seien sie auf einem äußeren j Schenkel des E-förmigen Kernstückes 20 angebracht.

Die Steuerwicklung 30' ist ebenfalls als Solenoidspule 30 gej staltet und diese ist auf den mittleren Schenkel des E-förmigen ■Kernstückes 20 aufgeschoben. Der Luftspalt 32 zwischen den beii den I- und E-förmigen Kernstücken 16, 20 ist kleiner als der Luftspalt 26 zwischen den beiden I-- und C-förmigen Kernstücken 16, 18. Die Kernstücke 16, 18, 20, welche eine I-, C-, E--förmige Gestalt aufweisen, sind einfache standartisierte handelsüblich erhältliche Bauteile, die keine Löcher oder Bohrungen zur Befestigung benötigen. Anstelle dieser I-, C- und E-förmigen Kernstücke 16, 18, 20 kann die Struktur des Transformators 10 auch aus anderen Kernstücken gebildet werden, die eine L-föriaige,- nur eine I-förmige, oder eine T-förmige Gestalt aufweisen und die ebenfalls aus geschichteten Transformatorblechen bestehen. Diese Kernstücke sind so zusammenzufügen, daß sich die in Fig. 1 und 2 abgebildete Kernstruktur des Transformators 10 ergibt. Auch die diversen Wicklungen lassen sich auf einfache Weise aus standartisierten handelsüblich erhältlichen Solenoidspulen bilden, die auf die Kernstücke aufgeschoben werden. Durch die Verwendung dieser standartisierten Kernstücke und Spulensolenoiden ist eine sehr einfache Montage möglich und es sind keine Spezialwerkzeuge oder Maschinen zur Herstellung der Wicklungen erforderlich. i

Der magnetische Spannungskonstanthalter ist in der Fig. 2 schematisch dargestellt, wobei die Kernstruktur des Transformators 10 in das Schaltbild eingezeichnet ist; außerdem ist die prinzipielle Anordnung der diversen Wicklungen angegeben und ebenfalls sind die magnetischen Kreise angedeutet. Die in dieser Fig. 2 mit Hochstrichen versehenen Bezugszeichen im schematischen Schaltbild, sind den entsprechenden Bezugszeichen für die Bauteile des Transformators 10 zugeordnet, der in Fig. 1 in seiner körperlichen Gestalt abgebildet ist.

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An den beiden Eingangsanschlüssen 33, 34 liegt als primäre Speisespannung eine Wechselspannung an. Der Eingangsanschluß 33 ist einerseits über eine in Reihe geschaltete Diode 36 mit der prima- : ren Wicklungshälfte 22" verbunden und andererseits über die Diode I 38 mit der anderen Hälfte der Primärwicklung 24'. Der zweite Ein- : gangsanschlußpunkt 34 ist mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt der ι beiden Primärwicklungen 22', 24' verbunden. Die beiden Hilfswick- j lungen 27', 28* welche beide zum Resonanzkreis gehören, sind \ wie das Schaltbild der Fig. 2 zeigt,- an den Kondensator 40 an- j geschlossen. Dieser aus zwei parallel geschalteten Zweigen be- i stehende Resonanzkreis kann in jedem Zweig eine in Reihe geschaltete Diode 36', 38' enthalten. Diese beiden Dioden 36', 38' dienen dem gleichen Zweck wie die beiden Dioden 36, 38 im Primärkreis des Resonanz-Transformators 10. Die beiden Sekundärwicklungen 27¹', 28'· sind mit einer Vollweg- Gleichrxchtungsschaltung Verbunden, die die beiden Dioden 42, 44 enthält und die an die ^ieiden Ausgangsanschlüsse 46, 48 die geforderte konstante Gleichspannung zur Stromversorgung einer Last liefert. ;

{Die Steuerungswicklung 30 ist in Reihe mit einem einstellbaren jPotentiometer 50 verbunden und diese Reihenschaltung ist an die ■

! I

beiden Ausgangsanschlüsse 46, 48 angeschlossen,- an denen die

j I

konstante Ausgangs-Gleichspannung anliegt. Zur Unterdrückung ^! einer Restwelligkeit der an den beiden Ausgangsanschlüssen 46, 48 des eine konstante Gleichspannung liefernden Spannungskonstanthalters ist es zweckdienlich, wenn an diese beiden Ausgangsanschlüsse 46, 48 ein Glättungskondensator 54 angeschlossen wird und gegebenenfalls ein Vorlast-Widerstand 54. In einem anderen Ausführungsbeispiel eines magnetischen Spannungskonstanthalters kann äer Resonanztransformator 10 so beschaffen sein, daß die Hilfsfficklungen 27', 28' für den Resonanzkreis mit den Sekundärwick-Lungen 27' ', 28" in einer angezapften Kombinationswicklung entialten sind, an die der Resonanzkondensator 40 angeschlossen ist.

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! Eine solche Schaltungsanordnung ist bereits bekannt und im amerikanischea Patent 3 148 326 beschrieben.

j Die Wirkungsweise des erfinäiingsgemäßen magnetischen Spannungskonstanthalten, der einen ferromagnetischen Resonanztransformator 1O enthält, beruht auf dem dem Fachmann bereits bekannten Grundprinzip. Die Weiterentwicklung bzw. die Verbesserung besteht darin, daß die Netto-Änderung in der Dichte des magnetischen Flusses bei jeder Zyklushälfte der Schwingfrequenz im magnetisch gesättigten Transformatorkern durch die Einwirkung der Steuerwicklung 30' gesteuert wird.

Bei einem ferroresonanten Transformator ergibt sich an den Sekundärwicklungen eine induzierte Ausgangsspannung:

E₀ = 2 Ab Ac f Ns χ 10~⁸ Volt (1)

dabei bedeutet:

Λ B die Änderung in der Dichte des magnetischen Flusses bei jeder Zyklushälfte;

Ac die Querschnittsfläche der äußeren Kernschenkel;

f die Betriebsfrequenz;

Ns die Zahl der Windungen in der Sekundärwicklung.

Da die Betriebsfrequenz überwiegend konstant ist, ergibt sich eine Ausgangsspannung E_Q, die im wesentlichen umgekehrt proportional zur Stromstärke in der Steuerwicklung 30' ist, gemäß der einfachen Rückkopplungsanordnung.

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Das Diagramm Fig. 3 zeigt die Magnetisierungskennlinie 60 bzw. j

die sogenannte Hysteresiskurve (B Funktion von H) der äußeren i

Schenkel vom E-förmigen Kernstück 20. Die zweite Magnetisie- I rungskurve 70 zeigt die Abhängigkeit der magnetischen Flußdichte

B von der Feldstärke H im mittleren Schenkel des E-förmigen Kern- |

Stückes 20. Die Magnetisierungskurve 70, die dem magnetischen j Streufluß zugeordnet ist, weicht in ihrer Neigung beachtlich von
der Magnetisierungskurve 60 ab, welche dem magnetischem Hauptfluß ; zugeordnet ist. Diese Abweichung, als sogenannte Scherung bezeich- : net, beruht darauf, daß der magnetische Streuflußkreis den Luft- > !spalt 32 enthält und dadurch einen erhöhten magnetischen Widerstand aufweist.

Wird die Steuerungswicklung 30 von einem Gleichstrom Ic durchflossen, dann erzeugt diese im mittleren Schenkel des E-förmigen Kernstückes 20 eine magnetische Feldstärke H₁. Diese bewirkt wiederum,
daß sich in diesem mittleren Schenkel eine entsprechende magneitische Flußdichte B₁ ergibt. Bei der Annahme, daß der magnetische Widerstand der beiden äußeren Schenkel gleich groß ist,
!ergibt sich in jedem äußeren Schenkel auch eine gleichgroße maignetische Flußdichte B₁. Werden die beiden primären Wicklungsjspulen 22' und 24' so angeschlossen, wie dies aus der Fig. 2
!ersichtlich ist, dann ergibt sich in jedem äußeren Schenkel bei
jedem Halbzyklus einer Schwingungsperiode eine Netto-Flußdichte B - B₁. Wird die Stärke des Steuerstromes I in der ί

,SI C :

jSteuerungswicklung 30 erhöht, dann ergibt sich dadurch auch eine i !geringere Differenz der resultierenden magnetischen Flußdichte
Δ B und damit erhält man auch eine geringere Ausgangs-Gleich- j spannung E₁-. Für diese Steuerungsfunktion bestehen die folgenden | Beziehungen:

^⁹⁷⁴⁰³¹ 609828/0285

Δ B = B₃-B₁ (2)

B₁ = ^H₁ (3)

Dabei bedeutet:

μ die effektive Permeabilität des Kernes, welcher

einen Luftspalt 1 enthält. 1 ist die Länge eines i Luftspaltes im magnetischen Kreis. Für die Permeabilität besteht die Beziehung

1 -Hu 1

m 'm g

Dabei bedeutet:

1 die mittlere Länge des magnetischen Pfades vom
mittleren Schenkel;

μ die Permeabilität des Materials vom Kern im '· 'm

Transformator. ■

I Die magnetische Feldstärke H₁ berechnet sich nach der Beziehung: !

H . ^liüVc ₍₅₎ j

^{1 1}M ;

Dabei bedeutet: !

N die Anzahl der Windungen in der Steuerungswicklunc 30.

I die Stromstärke des Steuerstromes in der Steuerc

ungswicklung 30.

Durch Substition der Beziehungen (3), (4) und (5) in die Formel
(2) ergibt sich somit eine resultierende magnetische Flußdichte

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0,4 ττμ NI .,. j

λ β - β - VoQ (β) !

Setzt man die Beziehung (6) in die Formel (1) ein, dann ergibt |

ι sich eine Ausgangsspannung

= 2 Ac f Ns /Bs- χίΟ⁸ (7)

Eine Differenzierung dieser Ausgangsspannung E_Q (7) in Bezug zum Steuerungsstrom I ergibt die gewünschte Steuerungsgröße

^dIc

-0,8 π ^N^XIcT _(ß)

Wenn ii 1 viel kleiner ist als 1 , dann berechnet sich die "m g m

Steuerungsgröße

-0,8 ttN N f A X10~⁸
G = j^-Ξ 5 (9)

Die Formel (9) zeigt, daß die Steuerungröße G von der Frequenz f des Resonanztransformators abhängig ist, außerdem von den zueinander abgewogenen Verhältnissen bezüglich der Windungen und der , Ström-Stärke Ic in der Steuerungswicklung 30' und den .Sekundär-I wicklungen 27'' und 28''. Ebenfalls sehr wesentlich sind für G die Abmessungen des Kerns im Transformator und auch die Länge des Luftspaltes im magnetischen Kreis.

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Nachstehend wird die Wirkungsweise des magnetischen Spannungskonstanthalters, der einen Resonanztransformator enthält, beschrieben. Der Transformator 10 wird eingangsseitig durch einen Wechselstrom gegebener Frequenz gespeist, dessen Spannungsquelle mit den Eingangs-Änschlüssen 33 und 34 verbunden ist. Dadurch ergibt sich wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist, durch die erregte Primärspule 22* im I-förmigen Kernstück 16 ein magnetischer Fluß ac, der sich wie die eingezeichnete Pfeilrichtung angibt, von links nach rechts erstreckt. Der durch die Steuerungsspule 3O¹ fließende

Steuerstrom I bewirkt, daß in den beiden äußeren Schenkeln des ^c * de

E-förmigen Kernstückes 20 jeweils ein magnetischer Fluß ·*=- besteht. Im I-förmigen Kernstück 16 überlagern sich diese beiden

Φα c
magnetischen Flüsse —γ- dem magnetischen Fluß Φ ac, welcher von der Primärspule 22' erzeugt wird. Daraus ergibt sich ein resultierender magnetischer Fluß, in dem I-förmigen Kernstück 16 und den beiden Schenkeln des E-förmigen Kernstücks 26, der auf der linken Seite verstärkt und auf der rechten Seite geschwächt ist.

Weil das C-förmige Kernstück 18 vom I-förmigen Kernstück 16 durch die Luftspalte 26 getrennt ist und dies einen erhöhten magnetischen Widerstand bedeutet, fließt durch den linken Schenkel des E-förmigen Kernstückes 20 - weil dessen magnetischer Widerstand !geringer ist - ein größerer magnetischer Fluß Φ ac + Φ dc, so lange, bis dieser Kernschenkel in den Sättigungsbereich kommt. ■Während dieser magnetischen Flußänderung, wird in den beiden Sekundärwicklungen 27¹¹ und 28'' eine Spannung induziert. Diese wird über die Gleichrichtungseinrichtung welche die Dioden 42, [44 enthält, die beiden Ausgangsanschlußpunkte 46, 48 geliefert. Wodurch elektrische Enerige für Last zur Verfügung steht. Zu der gleichen Zeit, da die beiden Hilfswicklungen des Resonanzkreises parallel sind, werden beide äußeren Schenkel der gleichen magnetischen Flußänderung ausgesetzt. Wenn der linke äußere Schenkel in den magnetischen Sättigungsbereich kommt, erhöht sich dadurch dessen magnetischer Widerstand, Dadurch wird der

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magnetische Fluß gezwungen, daß er auch in Aufwärtsrichtung durch' den Luftspalt 26 und das C-förmige Kernstück 18 fließt. Dadurch verringert sich die Änderung des magnetischen Flusses in den äußeren Kernschenkeln bis auf den Wert O, was zur Folge hat, daß in diesem restlichen Halbzyklus der Schwingperiode keine der Sekundärwicklungen 27'' und 28'· eine elektrische Energie an die Ausgangsklemmen 46, 48 überträgt. Dadurch bricht auch die induzierte Spannung in den beiden Hilfswicklungen 27', 28' der beiden Resonanzzweige zusammen und der Resonanzkondensator 40 entlädt sich.

Wenn sich in der folgenden Halbperiode der Speisespannung des Transformators die Polarität an den beiden Eingangs-Anschluß-

jpunkten 33 und 34 umkehrt, gilt die vorstehende Erklärung auch für die andere Schenkelseite des Resonanztransformators 10 im

imagnetischen Spannungskonstanthalter.

ι
Bei einer richtigen Wahl der Kapazität des Resonanzkondensators : 40 und der Windungen von beiden Hilfswicklungen 27", 28' in den j beiden Resonanzzweigen sowie bei einer Anpassung der Resonanzfrequenz an die Frequenz der primären Speisespannung, * ("beispielsweise an die Netzfrequenz) und der angepassten Größe des Luftspaltes 32 an die Geometrie des magnetisierbaren Kernes erhält man das ferroresonante Phänomen. Bei einer derart richtig an- : gepaßten Ausführung des Resonanztransformators liefern dessen ^! Sekundärwicklungen 27, 28 über die Vollweg-Gleichrichtungseinrichtung trapezförmige Spannungsimpulse zum Glättungskondensator 52 im Ausgangsschaltungskreis des Spannungskonstanthalters.

Weil der Pegel des magnetischen Flusses, bei dem eine Sättigung in den äußeren Schenkeln des magnetisierbaren Kerns auftritt, in Abhängigkeit von der Stärke des die Steuerungsspule 30 durch-

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; fließenden Gleichstromes I veränderbar ist, ergibt sich als

I c .

i Ergebnis ein ferroresonanter Regler, der eine geschlossene \ Steuerungsschleife enthält, die auf eine einzige, einteilige magne i tische Struktur einwirkt.

Ein anderes Ausführungsbeispiel eines magnetischen Spannungskoni stanthalters mit einem Resonanztransformator ist in dem schemata-

sehen Schaltbild der Fig. 4 dargestellt. Dieser Spannungskonstant-j halter ist in einigen Beziehungen dem vorausgehend bereits beschri benen magnetischen Spannungskonstanthalter ähnlich. Der schematise eingezeichnete Kern des Transformators ist mit den Bezugszeichen 16* und 20* bezeichnet. Der mangnetische Nebenschluß 18· ist in diesem Schaltbild in der allgemein üblichen symbolischen Darstellungsweise für die magnetischen Streuflüsse in das Schaltbild eingezeichnet. Die konstante Gleichspannung, welche die Last speist, steht als Ausgangsspannung an den Klemmen 46 _r 48 zur Verfügung. Diese Ausgangs-Gleichspannung kann wiederum dazu verwendet werden einen Steuerstrom I durch die Steuerungsspule 30'' zu treiben. Der Steuerungs-Gleichstrom I kann jedoch auch von einem anderen Stromversorgungsgerät geliefert v/erden, das in diesem Ausführungsbeispiel ein integrierter Bestandteil des Spannungskonstanthalters ist. Dieses zusätzliche Stromversorungs- ;gerät zur Lieferung des SteuerungsStromes enthält, wie aus dem iSchaltbild der Fig. 4 zu sehen ist, ein zweites Paar Sekundäri Wicklungen 87, 88 damit verbunden als Gleichrichtereinheit zwei !Dioden 82, 84 und einen Glättungskondensator 89. Als Vorbelastung ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel ein Widerstand 54 vorgesehen.

Die an die Ausgangsanschlüsse 46, 48 des magnetischen Spannungskonstanthalters angeschlossene Verbraucherlast 90 kann von diesen in einer beliebigen Entfernung angeordnet sein. Um auch in diesem Fall an der Verbrauchslast 90 eine genaue Speise-Gleich-

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Spannung zu erhalten, wird diese an der Last 90 anliegende Spannnung über die beiden Anschlüsse 92, 94 auf den magnetischen Spannungskonstanthalter zurückgekoppelt, wo sie eine Steuereinrichtung des magnetischen Spannungskonstanthalters beeinflusst. Diese zurückgeführte Gleichspannung gelangt an einen aus zwei Widerständen 96 und 98 bestehenden Spannungsteiler, von dem eine abgegriffene Teilspannung auf einen Eingang eines Differential-Verstärkers 100 einwirkt, an dessen anderen Eingang eine einstellbare, stabilisierte Bezugsspannung anliegt, die aus einem Netzwerk gewonnen wird, das einen Spannungsteiler 102 und eine Zenerdiode 104 enthält. Ein derartiges Netzwerk, das eine stabilisierte Bezugsspannung liefert und der Differentialverstärker 100 sind handelsüblich als eine Baueinheit erhältlich. Jedoch kann dieses

!Netzwerk auch separat sein und von dem Resonanztransformator gespeist werden, wie dies aus dem Schaltbild 4 zu ersehen ist.

Dieses Netzwerk enthält den aus einem Widerstand 103 und dem

!Potentiometer 102 gebildeten Spannungsteiler, wobei an dem Potentiometer 102 die stabilisierte Spannung der Zenerdiode 104 janliegt.

iDie auf dem mittleren Kernschenkel des Resonanztransformators angeordnete und von einem veränderlichen Gleichstrom Ic beeinjflusste Steuerungsspule 30'' ist einerseits mit dem Widerstand 103 verbunden und andererseits mit dem Kollektor eines Transistors 105 der von den Ausgangssignalen des Differentialverstärkers 100 gesteuert wird. An den Emitter des Transistors 105 ist ein Widerstand 106 angeschlossen, dessen anderes Ende zu einem Verbindungspunkt 94 führt, an den auch die Widerstände 98, 102, ein Basiswiderstand 109, die Zenerdiode 104 und die Mittenanzapfung der Sekundärwicklung 87, 88 angeschlossen sind. Zwischen dem Ausgang des Differentialverstärkers 100 und der Basis des Transistors 105 befindet sich eine zweite Zenerdiode 108 zwecks Verschiebung des Steuerungspegels vom Transistor 105. Durch den Basiswiderstand 109 fließt ein Ableitstrom. Der vom Transistor

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gelieferte, die Steuerungsspule 30¹* beeinflussende Steuerungs-Gleichstrom Ic ist in seiner Stärke einstellbar durch eine entspre chenäe Einstellung des Potentiometers 1O2.

Der zur Regelung, d,h« zur Konstanthaltung der Ausgangs-Gleichspannung des magnetischen Spanmmgskonstanthalters erforderliche Steuerungs-Gleichstrom Ic für die Steuerungsspule 30¹¹ wird von der vorstehend bereits beschriebenen Regelungsschaltung geliefert. Diese Regelungsschaltung wird von der IST-Gleichspannung beeinflußt, die von der Verbraucherlast 90 zurückgekoppelt wird. Dieser magnetische Spannungskonstanthalter ist durch diese Regelungsschaltung nicht empfindlich für Schwankungen der Frequenz der Wechselstromquelle, die den Resonanztransformator auf der Primärseite speist.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Magnetischer Spannungskonstanthalter für von Wechselstrom gespeiste Stromversorgungsgeräte mit einem Resonanztransformator in dem sich wenigstens ein magnetischer Haupt- und ein Nebenschluß bildet, bestehend aus wenigstens einem E- und I-förmigen Kernstück, einer Primär- und einer Sekundärwicklung, einer mit einem Kondensator verbundenen Hilfswicklung die einen in der Frequenz der Speisespannung schwingenden Resonanzkreis bilden und einer den magnetischen Sättigungszustand wenigstens in einem Schenkel eines Kernstückes beeinflussenden, von einem veränderlichen Strom durchflossenen Steuerwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einander gegenüberstehenden Enden eines C-förmigen Kernstückes (18) und den äußeren Schenkeln des E-förmigen Kernstückes (20) das I-förmige Kernstück (16) angeordnet ist, daß einerseits zwischen den C- und I-förmigen Kernstücken (18, 16) und andererseits zwischen dem mittleren Schenkel des E-förmigen Kernstückes (20) und dem I-förmigen Kernstück (16) ein Luftspalt (26, 32) besteht, daß die eine Filterdrossel bildende Primärwicklung auf dem I-förmigen Kernstück (16) angeordnet ist, daß sich auf den beiden äußeren Schenkeln des E-förmigen Kernstückes (18) aa jeweils eine Sekundärwicklung (27¹V, 28* ' ) und eine mit dem Resonanzkondensator (40) verbundene Hilfswicklung (27·, 28') befindet und daß auf dem mittleren Schenkel des E-förmigen Kernstückes (20) die Steuerwicklung (30") angeordnet ist.

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2. Magnetischer Spannungskonstanthalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet_y daß beim Resonanztransformator (1Oi die Primärwicklung {22% 24 *) aus zwei auf das I-förmige Kernstück (16) aufgeschobenen Boppelsp-alen {22, 24} besteht, die so angeordnet sind, daß sich die eine Spule (22) links und die andere Spule {24) rechts vom Mitte !schenkel des E-förmigen Kernstückes (2O) befindet und daß diese priEiären Spulen {22 _! 24) so mit Dioden {36, 38} verbunden sind, daß in der einen Haibperiode des primären Wechselstromes die eine Spule (2o) und in der anderen Halbperiode die andere Spule (24) erregt ist.
3. Magnetischer Spannungskonstanthalter nach Anspruch 1 oder 2, dad.tiTch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Kittelschenkels vom E-förmigen Kernstück (20) gleich groß ist wie die beiden Querschnittsflächen der beiden Außenschenkel zusammen.
4. Magnetischer Spannungskonstanthalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hilfswicklungen {27', 28'} parallel geschaltet mit dem Resonanzkondensator {40) verbunden sind.
5. Magnetischer Spannungskonstanthalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den beiden parallel geschalteten Zweigen des Resonanzkreises jeweils eine mit einem Spulenende und dem Resonanzkondensator 40 verbundene Diode (36 ·, 38') enthalten ist.

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6. Magnetischer Spannungskonstanthalter für eine Ausgangs-Gleichspannung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sekundärwicklungen (27¹¹, 28¹¹) mit einer Dioden (42, 44) enthaltenden Gleichrichtungseinrichtung verbunden sind, an deren Ausgang ein Glättungskondensator (52) und gegebenenfalls ein Vorlast-Widerstand (54) angeschlossen ist.
7. Magnetischer Spannungskonstanthalter für eine Ausgangs -Gleichspannung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspule (30¹) in Reihe mit einem einstellbaren Vorwiderstand (50) mit

! dem Ausgang (46, 48) des Spannungskonstanthalters

verbunden ist.
8. Magnetischer Spannungskonstanthalter für eine Ausgangs-Gleichspannung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine den veränderlichen Steuer-Gleichstrom I an die Steuerwicklung (30¹¹) liefernde Regelungsschaltung vorgesehen ist, auf die einerseits die Ausgangs-Gleichspannung und andererseits eine stabilisierte Vergleichsspannung einer BezugsSpannungsquelle einwirkt.
9. Magnetischer Spannungskonstanthalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungsschaltung eineq

! von der Ausgangs-Gleichspannung und der Bezugsspannung

j beeinflussten Differentialverstärker (100) enthält, des-f

sen Ausgang über eine Zenerdiode (108) mit der Basis eines Transistors (1o5) verbunden ist, der einen auf gleichem Potential liegenden Emitterwiderstand 106 und

; einen Basiswiderstand (109) aufweist und daß dessen

ι Kollektor mit der Steuerspule (30'') verbunden ist.

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