DE684444C - Einrichtung zur Erzeugung von Spannungswellen, von welchen jede Halbwelle aus je einem steilen und kurzdauernden, vorzugsweise rechteckigen Spannungsstoss gebildet ist - Google Patents

Einrichtung zur Erzeugung von Spannungswellen, von welchen jede Halbwelle aus je einem steilen und kurzdauernden, vorzugsweise rechteckigen Spannungsstoss gebildet ist

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DE684444C
DE684444C DEA86730D DEA0086730D DE684444C DE 684444 C DE684444 C DE 684444C DE A86730 D DEA86730 D DE A86730D DE A0086730 D DEA0086730 D DE A0086730D DE 684444 C DE684444 C DE 684444C
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DEA86730D
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Inventor
Rudolf Risch
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BBC Brown Boveri France SA
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BBC Brown Boveri France SA
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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/45Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use, as active elements, of non-linear magnetic or dielectric devices

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Magnetic Treatment Devices (AREA)

Description

  • Einrichtung zur Erzeugung von Spannungswellen, von welchen jede Halbwelle aus je einem steilen und kurzdauernden, vorzugsweise rechteckigen Spannungsstöß gebildet ist Für die verschiedensten Zwecke benötigt man in der Elektrotechnik öfters Spannungskurven, von welchen jede Halbwelle aus einem möglichst steil ansteigenden und anschließend wieder abfallenden schmalen Spannungsstoß besteht. Es sind bereits Schaltungen zur Erzeugung solcher Spannungswellen vorgeschlagen worden, die im wesentlichen aus einem Vierpol mit nichtlinearem Übertragungsmaß bestehen, welcher aus einer Spule mit ferromagnetischem Kern und einem zu ihr in Reihe gelegten Ohmschen Widerstand aufgebaut ist. Hierbei wird für den Spulenkern ein Material mit scharf ausgeprägtem Sättigungsknie in der Magnetisierungskurve bevorzugt. Man legt nun z. B. eine gewöhnliche sinusförmige Wechselspannung an, die größer ist als diejenige, bei welcher der Kern gerade gesättigt ist. Ferner wählt man den Widerstand so, daß der Scheitelwert des Stromes wesentlich größer ist als der Magnetisierungsstrom der Spule. Der Anfang jeder Welle der Wechselspannung bis zum Moment der Sättigung wird dann zur Hauptsache an der Spule wirksam, während der restliche Teil der sinusförmigen Spannungswelle im wesentlichen am Widerstand auftritt. Man erhält also bei der bekannten Schaltung an der Spule eine Spannung mit angenähert sinusförmigem Anstieg und steilem Abfall und am Widerstand eine Welle, die zuerst steil ansteigt und ungefähr sinusförmig abfällt.
  • Diese Schaltung hat aber die folgenden Nachteile: Läßt man die Sättigung der Spule ungefähr im Scheitelwert der Primärspannung erfolgen, so tritt sowohl an der Spule als auch am Widerstand nahezu der Scheitelwert der Primärspannung auf. Die Ausnutzung der Primärspannung bezüglich der Spannungshöhe der steil ansteigenden oder abfallenden Wellen ist somit in diesem Falle gut. Die Dauer der Spannungswellen beträgt jedoch ungefähr 9o elektrische Grade der Prima= spannung. Sie ist somit verhältnismäßig gro"13 und aus diesem Grunde für viele Zwecke, wie z. B. für besondere Gittersteuerungen in Gleichrichteranlagen, unbrauchbar. Die Dauer der erzeugten Wellen kann nun wesentlich kleiner als 9o° gewählt werden; wenn man entweder die Sättigung,der Spule spät erfolgen läßt und die am Widerstand auftretende Spannung verwendet oder wenn die Sättigung früh einsetzt und man an der Spule die Nutzspannung abnimmt. In beiden Fällen ist aber nachteilig, daß nur ein geringer Teil der Höhe der Primärspannung ausgenutzt wird und der Wirkungsgrad demzufolge als mangelhaft angesprochen werden muß. Außerdem ist die Spannungskurve dreieckig, so daß der Scheitelwert nur während einer Zeitdauer auftritt, die viel kürzer ist als die Dauer der gesamten Welle bzw. des Impulses. Ferner ergibt sich bei später Sättigung der weitere Nachteil, da,ß der Scheitelwert der Nutzspannung und der Zeitmoment des Spannungsanstieges stark von Schwankungen der Primärspannung abhängt. Bei früher Sättigung hingegen ist ein scharfer Anstieg überhaupt nicht möglich, da, wie bereits ausgeführt, dieser Anstieg etwa nach einer Sinuskürve erfolgt. Man kann zwar im letzteren Falle die Steilheit des Anstieges durch höhe Primärspannung und durch Vergrößern des Reihenwiderstandes verbessern. Dadurch nimmt jedoch die Belastbarkeit der Schaltung ab, und die erreichbare Steilheit des Anstieges bleibt doch hinter der Steilheit des Abfalles zurück, wie alle veröffentlichten Spannungskurven zeigen; die mittels dieser bekannten Schaltungen erzeugt wurden.
  • Dem Bekannten gegenüber bezweckt die vorliegende Erfindung, Spannungsstöße oder Impulse zu erzeugen; die schroff ansteigen, während eines bestimmten Zeitabschnitts einen möglichst hohen Spannungswert im Vergleich zur Primärspannung beibehalten und anschließend rasch wieder abfallen, wie in Fig. i angedeutet. Dies wird unter Verwendung eines Vierpols mit nichtlinearem Übertragungsmaß dadurch erreicht, daß der Vierpol zwei Spulen mit ferromagnetischem Kern aufweist und die Sättigung der beiden ferromägnetischen Kerne zeitlich nacheinander erfolgt. Ausführungsbeispele des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung sinnbildlich dargestellt. Fig. 2 zeigt eine einfache Schaltung, bei welcher der Vierpol im wesentlichen aus zwei hintereinandergeschalteten Spulen besteht, bei welchen der Verbraucher zu der einen Spule parallel liegt, während Fig. 3 ein anderes Ausführungs-@:]@eispie@ in bezüg auf die Erzielung der Sättixng der anderen mit dem Verbraucher in weihe liegenden Spule wiedergibt.
  • " In Fig. 2 bedeuten 2o und 2,1 die primären "Eingangsklemmen des Vierpols, an welche die vorzugsweise sinusförmige Primärwechselspannung angelegt wird. An den Sekundärklemmen 22 und 23 wird der Verbraucher 24 angeschlossen, an welchem also eine annähernd rechteckig verlaufende Spannung auftreten soll. Zu dem Verbraucher 24, der am besten einen Ohmschen Charakter aufweisen soll, ist die eine der beiden mit ferromagnetischem Kern versehenen Spulen 25 bzw. 26 parallel gelegt, während die andere Spule sowie ein Begrenzungswiderstand 27 mit dem Verbraucher in Reihe liegen.
  • Die Bemessung der Schaltelemente erfolgt nun zweckmäßig folgendermaßen: Bei nicht gesättigten Spulen 26 und 25 soll die Spule 26 einen Wechselstromwiderstand aufweisen, der wesentlich höher ist als der resultierende Wechselstromwiderständ, gebildet aus der Parallelschaltung der Spule 25 und dem Verbraucher 24. Für den gesättigten Spülenkern von 26 und die immer noch ungesättigte Spule 25 soll hingegen der .aus der Parallelschaltung von 25 und 24 gebildete Wechselstromwiderständ beträchtlich höher :sein als der Wechselstromwiderstand der Reihenschaltung von Begrenzungswiderstand 27 und gesättigter Spule 26. Ferner wird die Spule 25 derart ausgeführt, daß bei Sättigung des Kernes von 25 ihr Wechselstromwiderstand möglichst klein ist gegenüber dem Ohmschen Widerstand des Verbrauchers 24. Unter diesen vereinfachten Maßnahmen die erfahrungsgemäß ' einen Bestwert hinsichtlich der zu erzielenden Endwirkung ergeben, kann die Wirkungsweise wie folgt gedeutet werden: Der Anfang der Welle der Primärspannung tritt nach Voraussetzung zur Hauptsache an der Spule 26 auf, solange beide Spulen noch nicht gesättigt sind. Wird nun zuerst die Spüle 26 im Verlauf der Primärwelle gesättigt, so bricht die Spannung an ihr zusammen und tritt momentan praktisch in ihrer vollen Höhe am Verbraucher 24 auf. Man wählt nun Kern und Windungszahl der Spule 25 so, daß nach einem Zeitabschnitt, welcher etwa der gewünschten Breite des rechteckigen Spannungsstoßes entspricht, wegen des weiteren Anstiegs der Stromstärke auch die Spule 25 gesättigt wird. Die Spannung am Verbraucher fällt rasch zusammen und bleibt auch bis zum Nulldurchgang der Primärwelle vernachlässigbar klein. Etwa zur Zeit dieses Nulldurchganges erhalten die Spulen 25 und 26 wieder die volle Selbstinduktion, so daß beim nächsten Anstieg der Primärspannung der Vorgang sich wiederholt mit dem Unterschied, daß wegen des Vorzeichenwechsels der Primärspannung auch die erzeugte rechteckige Sekundärspannung ihre Richtung umkehrt. Die Spule 26 bewirkt also das scharfe Ansteigen, die Spule 25 den scharfen Abfall der Sekundärspannung, während der dazwischenliegende Teil hauptsächlich einen der Primärspannung ,ähnlichen Verlauf annimmt. Wählt man demnach die Spulen derart, daß die Sättigung von 26 kurz vor dem Scheitelwert der Primärspannung erreicht wird, dann wird die am Verbraucher wirkende Spannung diesem Scheitelwert entsprechen, wodurch sich eine volle Ausnutzung der Primärspannung erzielen läßt. Es ist ferner leicht einzusehen, daß die rechteckigen Impulse der Sekundärspannung beliebig kurz gemacht werden können, wenn nur der Zeitmoment der Sättigung der Spule 25 kurz nach der Sättigung der Spule 26 erfolgt.
  • Die Bemessung der Spulen bereitet offensichtlich keine nennenswerten Schwierigkeiten, solange die Primärfrequenz nicht derart hoch ist, daß die schädlichen Kapazitäten eine Rolle spielen. Die angestrebte Wirkung wird ferner um so besser, je ausgeprägter das Sättigungsknie in den Magnetisierungskurven der Spulenkerne ist. Gegebenenfalls können auch Kernmateriale verwendet werden, bei welchen die Magnetisierungskurven in das Sättigungsgebiet unstetig überspringen. Ist der Verbraucher selbst ein nicht Ohmscher Widerstand, so kann durch die an sich bekannten Maßnahmen der Parallel- und Hintereinanderschaltung geeigneter Schaltelemente stets erreicht werden, daß sich der resultierende Zweipol möglichst angenähert wie ein Ohmscher Widerstand verhält. Die eingezeichnete Verbraucheranordnung 2q. ist daher in diesem erweiterten Sinne aufzufassen. Es ist ferner möglich, den Begrenzungswiderstand 27 unmittelbar in die Wicklung der Spule 26 zu verlegen. Bei genügend hohem innerem Widerstand der Spannungsquelle kann er auch ganz fortgelassen werden.
  • In Fig. 3 ist eine Verbesserung der Schaltung nach Fig. 2 angegeben, die, eine größere Freiheit hinsichtlich der Bemessung der einzelnen Schaltelemente erlaubt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Sättigung der mit dem Verbraucher in Reihe liegenden Spule 36 zur Hauptsache durch eine Hilfswicklung 38 erfolgt, die über einen Schutzwiderstand 39 unmittelbar an die Primärklemmen 30 und 31 angeschlossen ist. Die Wirkungsweise bleibt jedoch grundsätzlich .dieselbe mit dem Unterschied, daß der Magnetisierungsstrom für den Kern der Spule 36 nicht mehr über den Verbraucher 3q., sondern über den eingezeichneten Hilfskreis, d. h. über den Widerstand 39 und über die Hilfswicklung 38 fließt. Auch hier ist es möglich, den Begrenzungswiderstand 37 in die Wicklung der Spule 36 und den Schutzwiderstand 39 wenigstens teilweise in die Wicklung der Spule 38 zu verlegen. Die Wicklung 38 gibt ferner die Möglichkeit, durch Wahl ungleicher Windungszahl der beiden Wicklungen der Spule die an den Ausgangsklemmen 32 und 33 auftretende Spannung noch zu verändern. Die dem Verbraucher 3,4 parallel geschaltete Spule ist mit 35 bezeichnet.
  • Die beschriebenen Schaltungen sind insbesondere zur Erzeugung von Steuerimpulsen geeignet. Soll die Sekundärspannung nur aus Wellen: einer Polarität bestehen, dann ist es möglich, den eigentlichen Verbraucher über ein elektrisches Gleichrichterelement anzuschließen, wenn dafür Sorge getragen wird, daß der resultierende Widerstand an den Sekundärklemmen etwa einem Ohmschen Widerstand entspricht. Die einzelnen Schaltelemente, wie die Widerstände, die beiden Eisenspulen oder auch der Verbraucher, können in die Schaltung mittelbar über möglichst verzerrungsfreie Transformatoren eingefügt werden. Auch kann die Reihenfolge der einzelnen Schaltelemente anders sein als in den Fig. 2 und 3. Solche Schaltungen ermöglichen die Erzielung rechteckiger Impulse, sofern sie nach den Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: r. Einrichtung zur Erzeugung von Spannungswellen, von welchen jede Halbwelle aus je einem steilen und kurzdauernden, vorzugsweise rechteckigen Spannungsstoß gebildet ist, unter Verwendung eines Vierpols mit nichtlinearem Übertragungsmaß, dadurch gekennzeichnet, daß der Vierpol zwei Spulen mit ferromagnetischem Kern solcher Bemessung aufweist, daß die Sättigung der beiden ferromagnetischen Kerne zeitlich nacheinander erfolgt.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulen mit ferromagnetischem Kern in Reihe geschaltet sind und der sekundärseitig anzuschließende Verbraucher mit vorzugsweise Ohmschem Charakter parallel zu der einen Spule liegt, so daß in periodischer Reihenfolge zuerst der Kern der mit dem Verbraucher in Reihe liegenden Spule gesättigt wird und anschließend nach einem Zeitabschnitt, welcher etwa der Dauer der zu erzeugenden Spannungswellen entspricht, der Kern der zu dem Verbraucher parallel liegenden Spüle in die Sättigung übergeht.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, däß mit der zum Verbraucher in Reihe liegenden Spule ein zusätzlicher, vorzugsweise Ohtnscher Begrenzungswiderstand ebenfalls in Reihe geschaltet ist. q..
  4. Einrichtung nach Anspruch 2; dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der in Reihe zum Verbraucher liegenden Spule (36) eine zweite Wicklung (38) trägt, die in Reihe mit einem vorzugsweise Ohmsehen Schutzwiderstand an die Primärklemmen des Vierpols angeschlossen ist.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder .4, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungswiderstand undloder der Schutzwiderstand in die Wicklungen der mit ihnen in Reihe liegenden Spulen verlegt ist.
  6. 6. Einrichtung nach Anspruch i oder den übrigen, dadurch gekennzeichnet, daß die NIagnetisierungskurven der beiden Kerne ein möglichst scharf ausgeprägtes Sättigungsknie aufweisen öder auch in das Sättigungsgebietunstetig überspringen.
  7. 7. Einrichtung nach Anspruch q., dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wicklungen (36 und 38) verschiedene Windungszahlen aufweisen.
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