DE847025C - Elektrischer Steuerstromkreis mit gesaettigten Drosseln - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 18. AUGUST 1952

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l)ie Erfindung bezieht sich auf elektrische Steuerstromkreise, und zwar insbesondere auf Stromkreise, in welchen induktive lilindwiderstände (Reaktanzen, im folgenden kurz l.liiulw iderstände oder nacheilende ßlindwiderstände genannt), bei denen eine Sättigungserscheinung auftritt, als die Stromstärke bestimmendes Element verwendet \verden, d. h. Stromkreise, die im allgemeinen als magnetische Verstärker bezeichnet werden.

liei vielen industriellen Anwendungen ist es sowohl aus Gründen der Wirtschaftlichkeit als auch aus (!runden der Normung oft höchst erwünscht, elektrische Steuerstromkreise zu verwenden, welche eine Mehrzahl bestimmter Steuerfunktionen bei der jeweiligen Steueraufgabe oder in dem jeweils vorliegenden Steuergerät erfüllen können. So werden beispielsweise bei den ,gewöhnlichen Geräten zur F u η k HK¹Uo r tu ι ig elektrische Steuerst rom kreise häufig dazu benutzt, ein phasenempfindliches Wechselstromsignal in eine verstärkte polaritätsempfindliche Gleichspannung umzuwandeln, und umgekehrt. Ferner werden einfache Gleichstrom- und Wechselstromverstärker in derartigen Geräten ebenso benötigt wie Regelstromkreise zur Regelung von Spannungen oder Strömen.

Ein Zweck der Erfindung besteht darin, eine elektrische Steuerschaltung mit einer Sättigung unterliegenden Blindwiderständen zu schaffen, die als Verstärker für Gleich- oder Wechselspannungen, feiner als verstärkende Umwandlungsstufe einer phasenemptindlichen Wechselspannung in eine verstärkte polaritätsempfindliche Gleichspannung und umgekehrt verwendet werden kann und die sich ferner als Xormal für einen konstanten Strom bei elektrischen Regeleinrichtungen benutzen läßt.

Ein weiterer Zweck der Erfindung ist die Schaf-

fung einer derartigen Schaltung mit sehr hoher Empfindlichkeit bei kleinen Eingangssignalen und einer scharf begrenzenden Kennlinie bei großen Eingangssignalen.

Allgemein gesagt, bezieht sich die Erfindung auf ein Gerät mit der Sättigung unterliegenden nacheilenden Blindwiderständen, weiche's im ganzen vier Blindwiderstandswicklungen umfaßt, die auf einem sich sättigenden Kern angebracht sind und über geeignete Gleichrichterelemente in Gegentaktschaltung zusammen mit zwei Scheinwiderständen an einer Wechselspannungsquelle liegen, und zwar derart, daß die Stromrichtung durch jeden dieser Scheinwiderstände sich bei jedem Wechsel der Spannungsrichtung umkehrt. Diese Scheinwiderstände sind so geschaltet, daß sie eine Belastung entsprechend der I Hfierenz der Augenblickswerte der Ströme in jedem Scheinwiderstand speisen, wobei die Richtung der Speisung davon abhängt, in welchem der Scheinwiderstände ein größerer Strom fließt. Sowohl die Richtung wie die Amplitude dieses größeren Stroms kann durch Veränderung der .Sättigungsdauer der !!lindwiderstände beeinflußt werden, wobei die Sät- ] tigung durch zwei der'Blindwidcrstandswickluugen im einen Sinn und durch die beiden anderen Wicklungen im anderen Sinn bewirkt wird. Derartige einander entgegenwirkende Sättigungseffekte werden gemäß der Erfindung dadurch erzeugt, daß eine oder mehrere mit den empfangenen Signalen gespeiste und eine Sättigung bewirkende Wicklungen auf dem Blindwiderstand derart angeordnet sind, daß sie einen Fluß von umgekehrter Richtung hervorrufen, verglichen mit dem Fluß, der durch die Blindwiderstandswicklungen während der Zeiten, in denen diese Strom führen, erzeugt wird. Durch eine geeignete Zusammenschaltung der Gleichrichterelemente mit den Scheinwiderständen kann die genannte Steuerschaltung entweder der Benutzung als Verstärker oder der Benutzung für die Umwandlung von Gleich- oder Wechselströmen angepaßt werden. Weiterhin können die Scheinwiderstäude aus den Steuerwicklungen einer weiteren magnetischen Verstärkerstufe bestehen, so daß die genannte Steuerschaltung als magnetischer Vorverstärker benutzt werden kann oder in Kaskadenschaltung eine größere Gesamtverstärkung liefert. Wenn ferner die der Sättigung fähigen Pjlindwiderstände der erfindungsgemäßen Schaltung magnetisch durch ein starkes Steucrspannungssignal vorgespannt werden, ändert sich der Ausgangsstrom der Schaltung bei Änderungen der Amplitude oder Frequenz der Speisespannung nur sehr wenig, so daß man die Schaltung in Regeleinrichtungen als Normal, welches einen konstanten Strom liefert, verwenden kann. Fig. τ zeigt die Erfindung unter Verwendung zweier Scheinwiderstände, die aus den beiden Feldwicklungen eines reihengeschalteten umsteuerbaren (ileiehstrommotors bestehen;

Fig. ι a und 1 B dienen zur Erläuterung der Wi 1-kungsweise der Steuerschaltung in Fig. 1 ;

Fig. 2 ist eine Abwandlung der Schaltung nach Fig. i. welche die Anwendung der Erfindung auf eine beliebige elektrische Belastung zuläßt; Fig. 3 zeigt die Benutzung der Schaltung nach Fig. ι als Vorverstärker, an den sich eine weitere magnetische Verstärkerstufe anschließen soll;

Fig. 4 zeigt die Benutzung der Schaltung nach Fig. τ als magnetisches Xorrnal für elektrische Regeleinrichtungen;

Fig. 4A dient zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung in Fig. 4;

Fig. 5 ist eine Abwandlung der Schaltung nach Fig. 1, und zwar eine solche, welche die Schaltung für die Umwandlung eines Gleichstromsignals in eine verstärkte pliaseiiempfindliche Ausgangsspaunung oder in einen verstärkten phasenempfindlichen Ausgangsstrom geeignet macht;

Fig. 5 A zeigt eine Kurvenschar zur Erläuterung der Wirkungsweise der Umwaudlungsschaltung nach Fig. 5 ;

Fig. 6 ist ein Schaltbild, welches die Benutzung der Schaltung nach Fig. 5 als Diskriminator veranschaulicht, der eine verstärkte Ausgangsgleichspannung oder einen verstärkten Ausgangsgleichstroin liefert, dessen Polarität und Größe von der Phase und Amplitude eines von Speisewechselspannung gelieferten Wechselstromsigiials abhängen;

Fig. ()Λ zeigt eine Kurvenschar zur Erläuterung der Wirkungsweise der Fig. 6;

Fig. 7 ist ein Schaltbild, welches die Benutzung der Schaltung nach Fig. 6 in einem Kaskadenweehselstromverstärker zeigt, während

Fig. <S eine Abwandlung der Schaltung nach Fig. 7 veranschaulicht;

Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten konstruktiven Ausführung der erfindungsgemäßen Steuerschaltung und

Fig. 10 schließlich ein Schaltbild für das in Fig. 9 dargestellte Gerät.

In Fig. ι ist die Erfindung in Verbindung mit zwei Scheinwiderständen Z-1 und A-2 dargestellt, welche die beiden Feldwicklungen eines umsteuerbaren Gleichstrommotors 10 bedeuten. In dieser Schaltung können mit Vorteil zwei einer Sättigung fähige Blindwiderstände 1 1 und 12 verwendet werden, und zwar vorzugsweise solche mit drei Schenkeln, wenn man auch, wie in Fig. 9 dargestellt, einen einzigen Kern benutzen kann. ICs sind aber wahlweise auch vier getrennte Kerne anwendbar, feder der Blindwiderstände 11 und 12 besitzt zwei Wicklungen 13, 14 bzw. 15, 16. die auf den äußeren Schenkeln angebracht sind und eine Steuerwicklung 17 bzw. iS auf dem inneren Schenkel. Jede Blindwiderstandswicklung ist über einen getrennten Gleichrichter 19, 20. 21, 22 in Reihe mit einem der Scheinwiderstände Z-1 und Z-2 an die Wechselspanmuigsquelle 23 angeschlossen. Die Wicklungen 13 und r6 liegen dabei zueinander parallel und gleichzeitig in Reihe mit dem Scheinwiderstand Z-i. Auch die Wicklungen 14 und 15 liegen parallel zueinander und in Reihe mit dem anderen Scheinwiderstand Z-2. Die Gleichrichter κ; und 20. die dem Blindwiderstand 1 1 zugeordnet sind, besitzen verschiedene Durchlaßrichtungen. Dasselbe gilt für die Gleichrichter 21 und 22 des Blindwiderstands 1 2. Man sieht also, daß die Gleichrichter 19 und 21 über-

einstimmende Durchlaßrichtung haben und daß ebenfalls die Durchlaßrichtung der Gleichrichter 20 und 22 untereinander übereinstimmt, so daß der Strom durch beide Seheiiiwiderstände Z-i und Z-2 während beider Ilalbwellen der Speisespannung hiiidurchHießeti kann, daß er aber bei einem Polaritätswechsel der Speisespannung seine Richtung umkehrt.

I'm den Augenblicks wert der Differenzen der in diesen beiden Scheinwiderständen Z-I und 7.-2 während jeder [laibwelle der Speisespannung fließenden Strome beeinflussen zu können, sind die Steuerwicklungen 17 und ι (S der Blindwiderstände 11 und υ zwischen zwei Kingangsklemmen 24 und 25, an denen das !Eingangssignal auftritt, in Reihe einander cntgegengeschaltet. Die Wicklungen 17 und iS sind dabei gegenüber den anderen Wicklungen auf dem betreffenden Joch, mit denen sie magnetisch verkettet sind, so geschaltet, daß sie entgegengesetzte Sättigungseffekte der Bliiidw iderstände 11 und 12 hervorrufen, wenn in diesen Wicklungen 17 und iS durch ein Signal an den Klemmen 24. 2^ ein Gleichstrom hervorgerufen wird. Die Wirkungsweise dieser Steuerschaltung wird weiter unten noch ausführlich erläutert; es sei jedoch schon jetzt bemerk;, daß beim Fehlen eines Signals an den Knigangs klemmen 24, 2^ die Wicklungen beider I'lindwiderstände 11 und 12 in beiden Halbwellen der Speisespannung gleich große Ströme hindurchlassen. Wenn jedoch an den Klemmen 24, 25 ein Signal einer bestimmten Polarität, z. B. ein positives Signal, auftritt, lassen die Wicklungen des einen Blindwiderstand* während ihrer Durchlaßhalbwellen einen größeren Strom zu als die Wicklungen des aiideren Blindwiderstands. Ferner wird wegen der Parallelschaltung je zweier Wicklungen, die verschiedenen Blindwiderständen angehören, durch jeden Scheinwiderstand während abwechselnder Halbwellen der Speisespannung ein verschieden großer Strom hindurchfließen.

In Fig. 2 ist eine andere ebenfalls mögliche Schaltung der Scheinw iderstände dargestellt, welche die Verwendung einer beliebigen elektrischen Belastung ermöglicht. Bei dieser Schaltung fließt der Strom durch die beiden Scheinwiderstände Z-3 und Z-4, fließt jedoch nicht durch die Belastung selbst hindurch, wie es bei dem reihengeschalteten Motor 10 in Fig. ι der Fall war. Vielmehr besteht der Verbraucherkreis, nämlich die Last 10' in Fig. 2, aus dem Diagonalstromzweig einer Brücke und liegt zwischen den Klemmen 26 und 2J in Reihe mit jedem der Scheinwiderstände Z-3 und Z-4. Der Rest der Schaltung innerhalb der gestrichelten Linie 100 stimmt mit Fig. 1 überein; es sind daher für die entsprechenden Bestandteile auch dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Alan sieht, daß in der Schaltung nach Fig. 2 der Augenblickswert der Differenz der Spannungen an Z-^ und Z-4, und zwar der an Z-3 und Z-4 durch die in ihnen fließenden Ströme hervorgerufene Differenzwert der Spannung, die an der Belastung 10' liegende Spannung darstellt. Wenn auch in Fig. 2 die Scheinwiderstände Z-3 und Z-4 vorzugsweise aus Ohmschen Widerständen bestehen sollen, an Stelle der Feldwicklungen wie in Fig. 1, so ist doch klar, daß an j Stelle dieser Ohmschen Widerstände auch beliebige elektrische Widerstände gesetzt werden können. Alan kann also sowohl induktive wie kapazitive Widerstände benutzen, und im letzteren Fall kanu ! man die Kapazitäten auch mit den zu ihnen in Reihe liegenden Blindwiderstandswicklungen der einer ! Sättigung fähigen Blindwiderstände auf Resonanz abstimmen, und zwar bei der Frequenz der Speise spannung, so daß eine größere Differenzspannuug zwischen den Punkten 26 und 2~] auftritt.

In Fig. 3 ist die Anwendung der KiTuiduug in einer Vorstufe zu einer weiteren magnetischen Verstärkerstufe dargestellt. In dieser Figur sind die Schein widerstände Z-1, '/.-2, Z-3 und Z-4 der Schaltungen in Fig. 1 und 2 (lurch zwei eine Sättigung bewirkenden Steuerwicklungen Z-5 und Z (> einer weiteren magnetischen Verstärkerstufe 2S ersetzt. Diese weitere Verstärkerstufe besteht aus einem magnetischen λ erstärker in Rrückenschaltung mit zwei Bliiidwiderstandsvvieklungen 2() und 30, die je mit einem Gleichrichter 31 und 32 voneinander ent- ! gegengesetzter Polung in Reihe geschaltet sind und zusammen mit diesem Gleichrichter zwei Bnickenzweige bilden. Die anderen beiden Brüekcn/wcige werden durch, zwei andere, entgegengesetzt gcpnhe go j Gleichrichter },}, und 34 gebildet. Kine beliebige Belastung, die durch das Rechteck- 35 angedeutet ist, liegt im Diagonalzweig der Brücke. Der Rest der Schaltung innerhalb der gestrichelten Linie mn ist mit der in Fig. 1 oder 2 in Pbereiustimmung und arbeitet als \ orverstärker fur die erwähnte zweite magnetische Verstärkerstufe 2(S. Man sieht, daß in der Schaltung nach Fig. 3 ebenso wie in der Motorsteuerschaltung nach Fig. 1, die durch die zweite Stufe, d. h. durch den magnetischen Verstärker 2(S, dargestellte Belastung von einem FIuI! erregt wird, welcher aus der Differenz der Ströme in den Steuer wicklungen Z-5 und Z-6 gebildet wird.

Die Schaltungen in Fig. i, 2 und 3 arbeiten praktisch gleichartig, wie aus den Fig. 1 a und 1 B ersichtlich ist. Iu Fig. la sind drei Kurvengruppen .-/, /> und C dargestellt. Die Kurven der Gruppe A geben den Strom in dem einen Scheinwiderstand, beispielsweise in Z-1, gegenüber dem Strom an, der : bei unmittelbarem Anschluß dieses Widerstands an die W'echselspaimungsquelle 23 auftreten würde. Die Kurven der Gruppe I> zeigen eine ähnliche Dar ^: stellung des Stroms durch den Widerstand Z-2. ■ während die Kurven der Gruppe C den resultierenden Belastungsstrom oder den Fluß angeben, de·- infolge des Augenblickswerts der Differenz der Ströme in den Scheinwiderständen Z-1 und '/.-2 auftritt. In den Gruppen A, Il und C stellt die sinusförmige 1 Iüllkurv e den Strom dar, welcher von der Wechselspaimungsquelle in die Scheinwiderstände hinein geliefert werden würde, wenn keine einer Sättigung fähige Blindwiderstände mit diesen Scheinwiderständen in Reihe liegen würden. In den Kurven der Gruppe A und />' zeigt die stark ausgezogene Linie den Stromfluß durch die Scheinvviderstände Z-1 bzw. 7.-2 an, solange kein Signal an den

Signaleingangsklemmen 24 und 25 liegt. Die aus Strichen bestehenden Kurven geben den Stromverlauf durch diese Scheinwiderstände bei einem positiven Signal und die aus Punkten bestehenden Kurven den Stromverlauf bei einem negativen Signal an den Signaleingangsklemmen wieder. Ebenso bedeutet in den Kurven der Gruppe C die aus Strichen bestehende Linie den resultierenden Differenzfluß, der von den Scheinwiderständen bei einem positiven Signal an der Steuerwicklung erzeugt wird, während die punktierte Linie den resultierenden Differenzfluß bei einem negativen Signal wiedergibt.

Wie durch die ausgezogenen Kurven in Gruppe A und B angedeutet, verhindert, solange kein Signal an den Steuerwicklungen auftritt, die induktive Wirkung der Blindwiderstandswicklungen eines jeden der einer Sättigung fähigen Blindwiderstände den Stromdurchgang durch die Scheinwiderstände Z-I und Z-2, bis ungefähr ein Intervall von 90⁰ der Spannungsperiodendauer verstrichen ist. Tn diesem Zeitpunkt wird eine Sättigung der Blindwiderstände auftreten, und der Strom durch die Scheinwiderstände nimmt daher zu, um für den Rest der betreffenden Halbwelle etwa entsprechend dem Strom der Spannungsquelle zu verlaufen. Wenn die Scheinwiderstände Z-I und Z-2 und die Blindwiderstände 11 und 12 annähernd gleich groß sind, so sind die Größe und die Dauer des Stromflusses in jedem Scheinwiderstand praktisch in jeder HaIbwelle dieselben. Jedoch kehrt sich wegen der umgekehrten Polarität der in Reihe geschalteten Gleichrichterelemente 19 bis 22 der Strom in jedem Scheinwiderstand Z-I bzw. Z-2 bei jeder Polaritätsumkehr der Spannung um. Da die Feldwicklungen Z-I und Z-2 der Belastung 10 hinsichtlich ihrer Flußrichtung einander entgegenwirken, erzeugen diese Ströme gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete Flüsse, die sich gegenseitig aufheben, so daß der Motor 10 nicht erregt wird. Ebenso sind bei der Schaltung nach Fig. 2 die an den Scheinwiderständen Z-3 und Z-4 auftretenden Spannungen, solange kein Eingangssignal vorhanden ist, gleich groß. Die Klemmen 26 und 27 befinden sich also auf gleichem Potential, und der Stromfluß durch die Belastung 10' ist Null.

Bei dem zweistufigen magnetischen Verstärker nach Fig. 3 heben sich bei gleich großen Strömen in den Steuerwicklungen Z-5 und 7.-6 der zweiten Verstärkerstufe 28 die Flüsse ebenfalls auf, solange kein Eingangssignal an den Klemmen 24, 25 auftritt. Jedoch wird die Belastung 35 von einem bestimmten Strom durchsetzt, da die Blindwiderstandswicklungen 29 und 30 dieses zweiten magnetischen Verstärkers 28 von einem Strom durchflossen werden. Bei den Schaltungen in Fig. r, 2 oder 3 liefert jedoch die erfindungsgemäße Steuerschaltung keinen Strom an die angeschlossene Belastung, solange an den Eingangsklemmen 24 und 25 kein Signal auftritt.

Wenn ein Signal einer bestimmten Richtung, beispielsweise ein positives Signal, den Signaleingangsklemmen 24 und 25 zugeführt wird, bewirkt der resultierende Steuerfluß in jedem Blindwiderstand wegen der auf ihm angebrachten Steuerwickluiigen 17 und 18 eine beschleunigte Erreichung der Sättigung beim einen, beispielsweise dem Blindwiderstand 11, und eine verzögerte Erreichung der Sättigung beim anderen, also dem Blindwiderstand 12. Infolgedessen fließt durch die Wicklungen 13 und 14 des Blindwiderstands ti während ihrer j Stromdurchlaßzeiten mehr Strom hindurch als ' durch die Wicklungen 15 und 16 auf dem Blindwiderstand 12. Wie durch die aus Strichen bestehenden Kurven der Gruppen A und B dargestellt, nimmt der Strom durch den Scheinwiderstand Z-I während derselben positiven Halbwelle der Spannungsquelle zu, während derer sich der Strom durch den Scheinwiderstand Z-2 vermindert. In der darauffolgenden negativen Halbwelle der Spannungsquelle nimmt der Strom durch den Scheinwider- stand Z-I ab, während der durch den Widerstand Z-2 fließende Strom über den beim Signalwert Null auftretenden Betrag hinaus ansteigt. Man sieht also, daß ein Stromüberschuß in einem Scheinwiderstand auftritt, beispielsweise in Z-r, und zwar während der positiven Spannuugshalbwellen, während im anderen Scheinwiderstand, also in Z-2, während der negativen Spannungshalbwellen ein Stromüberschuß vorhanden ist. Dieses Wandern des Strom-Überschusses während aufeinanderfolgender Spaniningshalbwellen entspricht einem Richtungswechsel des Stroms durch die Scheinwiderstände, und zwar wegen der verschiedenen Durchlaßrichtung der in Reihe geschalteten Gleichrichterelemente 19 bis 22. Infolgedessen ist die Richtung des wirksamen Fluß-Überschusses, der sich infolge der Ströme in den .Scheinwiderständen Z-1 und Z-2 einstellt, immer dieselbe.

Die tatsächliche Größe des wirksamen Erregerflusses hängt jedoch von der Dauer der Zeitintervalle zwischen dem Beginn einer Flußentstehung im einen Scheinwiderstand und der darauffolgenden Flußlöschung durch die Flußentstehung im anderen Scheinwiderstand ab. Genauer gesagt, löscht, da die .Scheinwiderstände Z-1 und Z-2 sich magnetisch entgegenwirken, das Feld im einen Scheinwiderstand, beispielsweise in 7.-2, das Feld, welches vom Strom im anderen Scheinwiderstand Z-i erzeugt wird, praktisch aus, und zwar zu einem bestimmten Zeitpunkt, während der 1 laibwelle der einen Polarität, beispielsweise der positiven, nachdem der Fluß infolge des Stroms im ersten Scheinwiderstand Z-I zu entstehen begonnen hat. Die Dauer des Zeitintcrvalls zwischen dem Flußaufbau, d. h. zwischen dem Beginn der Flußentstehung und der darauffolgenden Auslöschung des erregenden Feldes, hängt natürlich von der Amplitude des Eingangssignals an den Steuerwickhmgen 17 und 18 al). Die Steuerwirkung der Schaltung ähnelt somit der Wirkungsweise eines phasengesteuerten Verstärkers, bei welchem die Größe des Ausgangssteuersignals von der Dauer eines phasengesteuerten Stromimpulses abhängt. Es bestellt also ein gewisser Gegensatz zu der Wirkungsweise eines gewöhnlichen amplitudengesteuerten Verstärkers. Es ist klar, daß für die Steuerwickhmgen Z-5 und Z-6 in Fig. 3

hinsichtlich ihrer Flüsse praktisch dasselbe gilt wie für die Feldwicklungen Z-1 und Z-2 in Fig. ι und daß diese letztere Schaltung auf Eingangssignale ebenfalls in gleichartiger Weise anspricht. Die Schaltung in Fig. 2 arbeitet ebenfalls in ähnlicher Weise. Wenn ein positives Signal den Signaleingangsklemmen 24 und 25 in Fig. 2 zugeführt wird, ist die Spannung an einem der Scheinwiderstände, beispielsweise an Z-3, größer als die Spaninnig am anderen Scheinwiderstand Z-4, und zwar gilt dies für die Spanmingshalbwellen einer bestimmten Polarität, während bei den Spaniiungshalbwellen von umgekehrter Polarität die am Widerstand Z-4 entwickelte Spannung größer ist als die am Widerstand Z-3 auftretende. Da jedoch die Stromrichtung durch diese Widerstände bei jedem 1 lalbwellenwechsel ebenfalls wechselt, ist die Spannung beispielsweise am Punkt 26 stets größer als die am gegenüberliegenden Punkt 27 auftretende Spannuiig. Der Stromfluß durch die Belastung 10' besitzt also während beider Spannungshalbwellen dieselbe Richtung. Wenn beispielsweise die Spannung am Punkt 2() + 20 Volt beträgt und die Spannung am Punkt 27+10 Volt, und zwar während der positiven Wechselspaunungshalbwellen, und wenn die Spannung am Punkt 26 während der negativen Spannuiigshalbw eilen - -10 Volt beträgt und dabei die Spannung im Punkt 27 - 20 Volt ist. so befindet sich der Punkt 2(> gegenüber dem Punkt 2J stets auf einem Potential son + 10 Volt. Bei einem negativen Eingangssignal kehrt sich die Richtung des überwiegenden Laststroms gegenüber derjenigen Richtung, die bei einem positiven Eingangssignal vorhanden ist, um. Daher ist die Größe und die Richtung des Ausgangssigiials der Schaltung nach Fig. 1, 2 und 3 unmittelbar von der Amplitude und der Polarität eines keine Sättigung hervorrufenden Eingangssignal* an ihren Steuerwicklungen abhängig. Diese Schaltungen übertragen und verstärken natürlieh eine keine Sättigung hervorrufende Wechselspannung bis zu verhältnismäßig hohen Frequenzen, und zwar je nach der Permeabilität der Blindwiderstände und je nach den anderen bekannten und den Frequenzgang beeinflussenden Größen. Die Erscheinungeines gleichzeitigen Stromdurchtritts durch beide Scheinwiderstände Z-I und 7.-2 und ferner die l'mkehr der Stromrichtung in diesen Widerständen bei jedem Richtungswechsel der Speisespannung bringen viele vorteilhafte Betriebseigenschaften mit sich. Jn Fig. 115 ist eine charakteristische Darstellung des Stromverlaufs durch die Widerstände Z-1 und Z-2 in Abhängigkeit vom Signalstrom enthalten. Wie durch diese Kurven veranschaulicht, fließen beim Signalstrom Null durch beide Scheinwiderstände gleich große Ströme mit dem Ergebnis, daß keine Differenzspannung oder kein Differenztluß für die Belastung wirksam ist.

Bei einem kleinen positiven Signal nimmt jedoch der Strom durch den einen Scheinwiderstand Z-I sehr stark zu, während der Strom durch den anderen Widerstand Z-2 mit derselben Steilheit abnimmt. Da der gesamte Erregerstrom durch die Differenz der Ströme in den beiden Scheimviderständen gegeben ist, wird mit zunehmender Signalamplitude der maximale Belastungsstrom sehr schnell und praktisch linear erreicht. Darüber hinaus wird, da die einer Sättigung fähigen Blindwiderstände die maximale und die minimale Sättigung etwa zur gleichen Zeit erreichen, der Übergang von einem ansteigenden StH.in bis zum maximalen Strom sehr schnell durchlaufen. Infolgedessen sind die Grenzen des Steuerhereiches der Eingangssignale sehr scharf definiert. Ferner sieht man, daß, sobald das Signal über den Knick der Sättigungskurven hinaus ansteigt, der Strom in beiden Widerständen Z-i und Z-2 weiter- . hin langsam zunimmt. Da jedoch das Erregerfeld oder der Belastungsstrom der Schaltung von der Differenz der in den Widerständen Z-I und Z-2 fließenden Ströme abhängt, bleibt der F'rregerstrom praktisch"konstant und unabhängig von der Amplitude der Signalströme, wenn diese den Krümmungspunkt der S-Kurve übersteigen.

Das Differenzfeld oder der Erregerstrom in der Belastung bewirkt auch eine Verkleinerung der Einflüsse von Frequenzschwankungen, Temperaturänderungen, Alterung der Schaltelemente und eine Verkleinerung äußerer Einflüsse, wie z. B. magnetischer Streufelder, welche normalerweise beide Seiten der beschriebenen Gegentaktschaltung im selben Sinn beeinflussen werden. Eine Änderung der Sättigungskennlinie des einen Blindwiderstands oder eine j Stroniänderung in zwei Gleichrichterelementen j durch Änderung der Sättigung wird sich normalerweise durch eine entsprechende Änderung der Sättigungskeiuiliiiie des anderen Blindwiderstands aufheben oder auch durch eine Änderung des Stroms der beiden anderen Gleichrichterelemente kompensieren.

Die Gegeiltaktanordnung gemäß der Erfindung bewirkt auch eine sehr schnelle Herstellung normaler Betriebsbedingungen nach dem Auftreten eines außergewöhnlich großen Signals. Man erkennt, daß, unabhängig davon, ob das außergewöhnlich starke Signal positiv oder negativ ist, wenigstens einer der beiden einer Sättigung fähigen Blindwiderstände in jeder Halbwelle der Speisewechselspannung eine maximale Flußdichte aufweisen wird. Wenn das Signal plötzlich auf einen kleinen Wert zusammenbricht, so wird der Abfall des magnetischen I^eldes in diesem Blindwiderstand den Strom in dem angeschlossenen Scheinwiderstand sehr schnell abnehmen lassen, so daß also die Schaltung schnell zu normalen Betriebsbedingungen zurückkehrt.

Die Blindwiderstandswicklungen eines der einer Sättigung fähigen Blindwiderstände, beispielsweise des Blindwiderstands 11, werden vorzugsweise auf ihren entsprechenden Schenkeln so angeordnet, daß bei einem Signal einer bestimmten Polarität, beispielsweise der positiven Polarität, der Fluß während einer Wechselspannungshalbwelle, der von einer Blindwiderstandswicklung herrührt, dem Fluß der anderen Blindwiderstandswicklung in der nächstfolgenden Wechselspannungshalbwelle entgegengerichtet ist. Dann wird nämlich eine Restmagnetisierung infolge des Flusses, der vom Strom

in einer Blindwiderstandswicklung herrührt, in der darauffolgenden Halbwelle durch den Fluß der anderen Blindwiderstandswicklung abgebaut.

Die Fig. 4 zeigt die Anwendung der Erfindung als Xormal konstanten Strom für elektrische Spannungs- oder Stromregeleinrichtungen. Die Schaltung nach Fig. 4 stimmt mit derjenigen nach Fig. 2 überein mit der Ausnahme, daß an die Wechselspannungsquelle ein Brückengleichrichter 36 angeschlossen ist, um ein großes Gleichstromsignal an die .Steuerwicklungen 17und 18 der Blindwiderstände 1 τ bzw. 12 zu liefern. Die Amplitude dieses Gleichstromsignals von der Gleichrichterbrücke muß groß genug sein, um den einen Blindwiderstand, beispielsweise den Widerstand 11, stark zu sättigen. Dann haben kleine Änderungen der Signalspannung infolge von Spannungsschwankungen der Spannungsi|uelle einen verhältnismäßig kleinen Einfluß auf den durch die Wicklungen der beiden Blindwiderstände hindurchfiießenden Strom. Die Fig. 4 Λ enthält eine charakteristische Darstellung des Belastungsstroms durch das Gleichstromamperemeter Λ/-Ι zwischen den Anschlußklemmen 26 und 27 in Abhängigkeit von der Spannung der Spannungsquelle 23. Diese Kurve ist für einen maximalen Signalstrom von 0,6 niA aufgetragen und zeigt, daß der Belastungsstrom für kleine Werte der Speisespannung stark ansteigt, nämlich für Werte zwischen ο und 10 Volt, bei einer größeren Speisespannung jedoch praktisch konstant bleibt. Wie man aus den Kurven in Fig. 1 B sieht, ändert sich zwar der Ausgangsstrom der Gleichrichterbrücke 36 in Abhängigkeit von der Speisespannung, jedoch bleibt dies ohne Einfluß auf die Differenz der Ausgangsströme der Schaltung, da der eine Blindwiderstand wegen des anfänglichen starken Vorspannungssignals in seinem Sättigungsgebiet arbeitet. Bei einer normalen Betriebsspeisespannung über 15 oder 20 Volt haben daher geringe Schwankungen der Speisespannung keinen Einfluß 4.0 auf den im Belastungskreis fließenden Strom. Eine derartige Quelle konstanten Stroms kann in üblicher Weise als Konstantstromnormal in Spannungs- oder Stroinregeleinrichtungen benutzt werden. Es sei bemerkt, daß ein Gleichstrommesser, z. B. M-2, der mit einem der Belastungswiderstände, z. B. mit Z-3, in Reihe geschaltet ist, ebenfalls eine konstante Gleichstromkomponente anzeigt, obwohl durch den Scheinwiderstand Z-3 ein Wechselstrom hindurchfließt. Diese Gleichstromkomponente im Widerstand Z-3 kann ebenfalls gefiltert und als Konstantstromnormal in geeigneten Regelschaltungen verwendet werden.

In Fig. 5 ist die Erfindung für die Benutzung in einer l'mwandlungsstufe für ein Gleichstromsignal gegebener Polarität in einen Ausgangswechselstrom einer entsprechenden Phasenlage mit Bezug auf die Phase der Speisespannung dargestellt. Diese Schal tutig stimmt im wesentlichen mit der nach Fig. 1 überein, jedoch mit der Ausnahme, daß beide Blind-Widerstandswicklungen jedes der einer Sättigung fähigen ISlindwiderstände getrennt an denselben Widerstand eines Widerstandspaares Z-/ und Z-S angeschlossen ist und nicht, wie in Fig. 1, an gegenüberliegende Widerstände. I )ie Widerstände 'λ-¹/ und Z-S werden durch die beiden Feldwicklungen eines Zweiphasen wechsel Strommotors dargestellt. Man sieht aber, daß sie auch aus den Erregerwicklungen einer beliebigen derartigen Wechselstromlast bestehenkönnen. In Fig. 5 A sind dieKurven in dersell>en W^reise angeordnet wie die Kurven in Fig. 1 a. Den Steuerwicklungeii 17 und 18 wird ein Gleichstromsignal einer bestimmten Polarität zugeführt und erzeugt dort einen resultierenden Wechselfluß in den Feldwicklungen Z-7 und Z-S, und zwar einen Fluß einer bestimmten Phasenlagcgegenüber der Speisewechselspannung. Wenn die Polarität des Gleichstromsignals sich umkehrt, wechselt auch die Phasenlage des erwähnten Wechselflusses. Man erkennt, daß diese Schaltung auch ebenso wie diejenige in Fig. 2 abgewandelt werden kann und daß sie sich dann für eine beliebige Art von Belastung benutzen läßt und nicht nur für die in Fig. 5 dargestellte, aus einem Erregerfeld bestehende Belastung.

In Fig. 6 ist die Erfindung in der Anwendung auf einen Diskriminator für ein von der Speisewechselspannung geliefertes W echselstromsignal erläutert. Bei dieser Schaltung sind zwei antreibende und angetriebene Selsyn-Systenie 37 mid ^₁S j η üblicher W'eise geschaltet, so daß die Stellung des Rotors 39 des antreibenden Selsyn-Systems 37 die Größe und die Phasenlage einer in der Rotorwicklung 40 des angetriebenen Selsyn-Systems 38 induzierten Wechselspannung bestimmt. Man kann erkennen, daß dieses Wechselstromsignal eine bestimmte feste Phasenlage zu der Spannung der Wechselspannungquelle hat, daß es nämlich entweder phasengleich oder in Phasenopposition zu diesem liegt. Derjenige Teil des sich sättigenden Blindwiderstands dieser Schaltung, der durch die gestrichelte Linie 101 umrandet ist, stimmt mil dem in Fig. 5 durch die Linie 101 umrandeten Teil überein, ist jedoch an zwei ScheinwiderständeZ-o. undZ-io ebenso wie in Fig. 2 in Brückenschaltung angeschlossen. Die Belastung 4 t liegt im Diagonalzweig der Brücke. Gemäß Fig. 6A, die ebenso aufgebaut ist wie Fig. 1 a, erzeugt ein Wechselstromsignal einer bestimmten Polarität, inen Differenzgleichstrom durch die Last 41 von einer bestimmten Polarität, während ein Wechselstromsignal von entgegengesetzter Phasenlage im .astzweig einen Gleichstrom von entgegengesetzter no Polarität hervorruft. Die Größe dieses Laststroms längt natürlich von der Amplitude des Wechselstromsignals ab. welches den Steuerwicklungen der einer Sättigung fähigen Blindwiderstände zugeführt wird.

In Fig. 7 ist der magnetische Verstärker nach Fig. 6 in einer Kaskadenschaltung dargestellt. Gemäß Fig. 7 ist ein Selsvn-System 42 so geschaltet, daß es ein Wechselstromsignal an die Steuerwicklungeii einer ersten magnetischen Verstärkerstufe liefert, die mit derjenigen in Fig. (> übereinstimmt. Die Differenzausgangsspannuug, welche von zwei in Brückensehaltung befindlichen Scheimviderständen Z-ii und Z-12 abgenommen wird, dient dazu, die Steuerwickluiig einer weiteren magnetischen Verstärkerstute 43 zu speisen, die ihrerseits ebenso

aufgebaut ist wie die erste Yerstärkerstufe". Wie bei Fig. 5 und 6 erläutert, ist die Ausgangsspannung der ersten Stufe eine polaritätsempfhidliche Gleichspannung, welche den Sigtialwicklungen der zweiten Stufe zugeführt wird und eine Ausgangsspannung dieser zweiten Stufe zur Folge hat, die eine Wechselspannung ist und in ihrer I'hase mit dem Wechselstromsignal übereinstimmt, welches den Steuerwicklungen der ersten Stufe seitens des Selsyn-Systems ίο zugeführt wird.

In Fig. (S ist eine Abwandlung der Schaltung nach Fig. 7 dargestellt, durch welche die in Brücke geschalteten Widerstände Z-I ι und Z-I2 in der ersten Stute überflüssig werden, und zwar dadurch, daf.i zwei zusätzliche Steuerwicklungen auf den einer Sättigung fähigen Blindwiderständen in der zweiten Stufe 44 angebracht sind. Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. S liegt beim Vergleich mit der Schaltung nach Fig. 7 auf der Hand. In Fig. 9 ist eine bevorzugte konstruktive Ausführungsform für denjenigen Teil der beschriebenen Schaltungen, welche aus den einer Sättigung fähigen !!lindwiderständen bestehen, dargestellt. Diese Konstruktion bestellt aus vier je mit einer Öffnung versehenen rechteckigen einzelnen Jochen 45, welche radial so augeordnet sind, dal.i sie einen Zentralschenkel 45' bilden, der mit einer gemeinsamen Steuerwicklung 4h verseilen ist, welche ihrerseits die beiden Steuerwicklungen 17 und 18 der weiter oben beschriebenen Schaltungen darstellt. Jede der Blindwiderstandswickluugen 13 bis 16 ist auf je einem der äußeren Schenkel dieser rechteckigen Joche angebracht, wobei zwei Wicklungen 13 und 14 umgekehrten Wicklungssinn oder umgekehrten Anseliliißsinn wie die beiden anderen Wicklungen 15 und ii) besitzen. Die Gleichrichterelemente 19 bis 22 lassen sich bequem in dem Raum zwischen je zwei benachbarten Blind Widerstands wicklungen unterbringen.

Man sieht, flau in dieser zu einer baulichen Einheit vereinigten und sternförmig aufgebauten Kon struktion nach 1'ig. 9 die einzige Steuerwicklung 46 die Aufgabe beider Steuerwicklungen 17 und 18 in den Schaltungen nach Fig. 1 bis 8 erfüllt. Ferner ist zu sagen, daß in den Steuerwicklungen nur ein vernachlässigbarer Wechselstrom induziert wird und dal.i daher auch in einer Signalquelle von geringem innerem Widerstand kein unerwünschter Wechselstrom rliel.it, da nämlich di« Flüsse, welche von den jeweils stromführenden beiden Blindwiderstandswicklungen in aufeinanderfolgenden Halbwelten der Wechselspannung ausgehen, einander entgegengesetzt gerichtet durch den Zentralkern der ganzen lochanordnung durchsetzen, auf dem sich die Steuerwicklung 46 befindet.

Eine bevorzugte Schaltung für die Jochanordnung nach Fig. 9 ist innerhalb der gestrichelten Linie 102 in Fig. ίο dargestellt. Alan sieht, daß die innere Schaltung innerhalb der Umrandung 102 mit der Schaltung innerhalb der Umrandung 100 nach Fig. 1 j bis 4 übereinstimmt mit der Ausnahme, daß das eine j Ende je zweier Blindwiderstandswicklungen an die- i selbe Klemme eines Klemmenpaares 47, 48 auge- \ schlossen ist an Stelle einer Verbindung durch eine gemeinsame Leitung. Das Gerät nach Fig. 9 kann mit der Klcnimeuschaltung nach Fig. 10 als eine bauliche Einheit in einem beliebigen magnetischen Normal, magnetischen Verstärker oder in einer magnetischen Umwandlungsstufe nach Fig. 1 bis S benutzt werden. Es liegt auf der Hand, daß das innerhalb der gestrichelten Linie 102 in Fig. 10 dargestellte Gerät ebenso verwendet werden kann wie das Gerät innerhalb der Umrandung 100 nach Fig. r ; bis 4, und zwar dadurch, daß man lediglich die Klemmen 47 und 48 miteinander verbindet und sie an dasselbe Ende der Wechselspannungsquelle anschließt. Die Belastung kann dann zwischen die Klemmen 26 und 2y, wie in Fig. r bis 4 dargestellt, angeschlossen werden.

Der Anschluß des zusammengebauten Geräts. welches innerhalb der Umrandung 102 in den Diskriminator- oder Umwandlungsschaltungeii nach Fig. f, bis S dargestellt ist, ist jedoch nicht so selbstverständlich und ist daher in Fig. 10 veranschaulicht. Die Fig. 10 zeigt zwei praktisch gleiche Widerstände Z-13 und Z-14. welche zwischen den Klemmen 47 und 48 und dem einen J Ol der Wechselstromque'le 33 liegen sowie eine Belastung49 zwischen den Klemmen 47 und 48, so daß diese Belastung an der Differenz der Spannungen zwischen ihren Anschlul.ipunk- oc ten liegt. Die Klemmen 2O und 2J, welche in !''ig. 1 bis 4 die Ausgangsklemmen darstellten, sind nunmehr unmittelbar miteinander verbunden und au den anderen l'ol der Wechselstromquelk 2^₁ augeschlossen. Man kann erkennen, dal.i die Schaltung nach Fig. 10 jetzt mit der in Fig. (> übereinstimmt, jedoch mit der Ausnahme, daß die Gleichriehterelemente 19 bis 22 auf gegenüberliegenden Seiten der zugehörigen iilindw lderstaudswicklungen 13 bis M) angeordnet sind. Da diese Gleichrichter und Blindwiderstandswicklungeii in Reiiie geschaltet sind, bestellt kein elektrischer Unterschied zwischen den beiden Schaltungen und kein Unterschied bezüglich ihrer Wirkungsweise. Jede der anderen Schaltungen in Fig. 5 bis 8 kann natürlich ebenfalls so umgestaltet werden, dal.i man das Gerät nach Fig. 9 in sie einbauen kann.

Man sieht also, dal.i durch die Erfindung eine Steuerschaltung mit einer Sättigung fähigen 1 !lindwiderständen geschahen wird, die als Vorverstärker für Wechselstrom oder Gleichstromsignale 111 magnetischen Verstärkern benutzt werden kann, oder eine Steuerschaltung, die sich leicht auf einen Gleichoder Wechsel stromverstärker für die Speisung eines beliebigen Verbrauchers umstellen läßt, ferner kann die Schaltung mit einer starken magnetischen Signalvorspannung als Konstantstromnormal oder als Konstantspannungsuormal verwendet werden. Außerdem läßt sich durch eine kleine Änderung in den äußeren Anschlüssen die Schaltung entweder als Diskriminator oder als Umwandlungsstufe von Wechselströmen in Gleichströme verwenden, und zwar auch in Kaskadenschaltung zum Zweck, eine größere Verstärkung zu liefern. Durch Benutzung des Difierenzbctrags der Stromaugenblickswerte in zwei Schein widerständen als Ausgangserregerstrom

wird die Sättigungskennlinie des einen einer Sättigung fähigen Blindwiderstands symmetrisch zu den Sättigungseigenschaften des anderen Blindwiderstands verwendet, so daß sich eine hohe Empfindlichkeit gegenüber kleinen Signalen, ferner eine scharfe Begrenzung des Ansprechbereichs ergibt und die Schaltung beim Auftreten übermäßig starker Signale schnell wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehrt. Schließlich werden bei den erfindungsgemäßen Schaltungen Spannungs- und Frequenzänderung ebenso wie Schwankungen der äußeren Betriebsverhältnisse der Natur der Sache nach kompensiert, und , die insgesamt auftretenden unerwünschten Rückwirkungen auf die Schaltung werden dadurch vermindert.

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   ι . Elektrische Steuerschaltung mit einer Wechselspannungsquelle, bestehend aus einem einer Sättigung fähigen Blindwiderstand mit zwei Paaren von Blindwiderstandswicklungen, Einrichtungen zur Beeinflussung der magnetischen Sättigung des Blindwiderstandsgeräts durch ein elektrisches Signal, zwei Paaren von umgekehrt gepolten Gleichrichtern im Kreise dieser Blindwiderstandswicklungen und schließlich einer Belastung, dadurch gekennzeichnet, daß zwei praktisch gleiche Scheinwiderstände in getrennten Stromzweigen in Reihe mit je zwei der genannten vier Blindwiderstandswicklungen geschaltet sind, dabei jeder dieser Reihenschaltungsstromzweige an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, die Gleichrichterelemente in jedem dieser Stromzweige gleichzeitig einen verschieden gerichteten Stromfluß in beiden Scheinwiderständen während der Polwechsel der zwischengeschalteten Wechselspannungsquelle hervorrufen, ferner je zwei Blindwiderstandswicklungen im Sinn der Erzeugung entgegengesetzter Flüsse in den Steuerwicklungen geschaltet sind, die den Steuerwicklungen zugeführten Signale die Erreichung der Sättigung durch die ersten zwei Blindwiderstandswicklungen verzögern, dagegen im Sinn einer beschleunigten Erreichung der Sättigung durch die beiden anderen Blindwiderstandswicklungen wirken, so daß ein Differenzstrom in den Scheinwiderständen fließt, welcher sich während jeder Spannungshalbwelle entsprechend der Größe des

   den Steuereinrichtungen zugeführten Signals ändert und daher die Belastung mit der Differenz der Augenblickswerte der an den Scheinwiderständen entstehenden Spannungen gespeist wird.
2. 2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der vier Blindwider Standswicklungen in einen getrennten Strom zweig in Reihe mit einem der Scheinwiderstand.■ geschaltet ist.
3. 3. Steuerschaltung nach Anspruch j, dadurch gekennzeichnet, daß die gleich großen Schein widerstände zwei eine Sättigung bewirkemk· Steuerwicklungen einer magnetischen Verstär kerstufe darstellen.
4. 4. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle vier Blindwiderstand* wicklungen getrennt parallel zueinander liegen und jede ihrerseits in Reihe mit einem Schein widerstand an die W'echselspamiungsquelle an geschlossen ist.
5. 5. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gleichrichter zwischen der Wechselspannungsquelle und den Steuerwick lungen liegen zum Zweck, ein Gleichstromsignal, das zur Vormagnetisierung des Blind Widerstands über seinen Sättigungspunkt hinaus ausreicht, zu liefern.
6. 6. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheinwiderstände je zwischen einem Pol der Wechselspannungsquelle und zwei Punkten der Scheinwiderstände, welche Anschlußklemmen für den Anschluß eines Ver brauchers darstellen, angeschlossen sind und dabei je ein Scheinwiderstand jedes Widerstandspaares zwischen dem anderen Pol der Wechsel-Spannungsquelle, und zwar in Parallelschaltung zueinander und je einem Punkt der Scheinwiderstände liegt.
7. 7. Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheinwiderstände aus zwei magnetisehen Erregerwicklungen einer dynamoelektrischen Maschine bestehen.
8. 8. Steuerschaltung nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Blindwiderstand aus einem viereckigen Joch besteht, diese Joche sternförmig angeordnet werden und je eine Blindwiderstandswickluiig auf jedem äußeren Jochschenkel liegt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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