DE898328C - Einrichtung zur Verstärkung kleiner elektrischer Großen - Google Patents

Description

Um insbesondere bei Me'ßeinrichtungiem eime'n hohen Verstärkungsgrad in einer einzigen Stufe zu erzielest, wird bei bekannten Einrichtungien mittels der elektrischem Einigangseniergie in einem Meßwerk eine mechanische· Bewqgung !ausgelöst z:ur Betätigung von Regeügliedem, die ihrerseits zur Steuerung 'des Ausigangsstromes diiietoera. So wird z. B. mittels des Meßwerkes einie Blende betätigt, ■durch weiche atm einer ,auf dem' Bolaroeterprinrip

ίο beruhenden Anordnung Kühlluftströme gesteuert weirdeini. Bei ,anderen Aniordnuqgeto werden durch das Meßwerk im¹ Ausgamgskreis liegende Widerstände igteregelt.

Diese bekanintiein Einrichtunigan weiten verschiedetnie recht erhebliche Nachteile ;auf. Die durch das Meßwerk betätigtem Re;gelgü.eder besitzen 'ein verhältrisim;äßi|g grioßes Trägheitsimiomient, z. B. die Biotometierblionidie, oder es treten bei ihrer Betätigung Reibungskräfte auf, z. B. bei Regeilwiderstiäniiden, zu deren Überwindung eine verhältnis,-m;äßä(g große Eiiiigangsenergie !erforderlich ist. Diese Nachteile bedingen eine große Trägheit des Verstärkers, sie begrenzen dien Verstärkungsfaktor und machen edinie 'Mindesteinergie, unterhalib welcher eine Verstärkung nicht mehr möglich' ist, erforderlich.

Bei der Einrichtung gemäß der Erfindung sind diese Nachteile 'dadurch beseitigt, daß durch¹ das Meßwerk ein Magnet verstellt wird, dessen. Field den Ausgangsstriom eimer auf magnetische Felder ansprechenden Anordnung· steuert.

Itn der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele für die Verwirklichung" des Erfmdruingsgedanikans S'chematisch dargeiStellt.

Der Verstärker nach Fdg·. 1 biesteht iaus zwei Tedlainiordnungien I, II, die miteinander mechanisch

verbunden sind. Die Anordnung I ist ein richtkraftl'O'ses Meßwerk, z. B. ein Drehspulroeßwerk, bestehiemd ,aus einem Dauermagneten ι und einer auf einem drehbeweglich angeordneten Rähmchen liegenden Wicklung- 2, der über 'die Klemmen 3, 4 der Eingangsstroim / zugeführt wird.

Das Grundprinzip der Anordnung II beruht auf der Änderung dies Widerstandes einer Drosselspule durch Änderung der Permeabilität des Kernes mit Hilfe eines Magnetfeldes. Mit 5 ist ein magnetisch sehr gut leitender Körper bezeichnet, der einen Mittelischeinkel 6 und die Seitemscliieinkel 7, 8, 9, 10 aufweist. Die Seitemisehemkel tragen die Arbeitswicklumgen 11, 12, 13, 14, die in Reihe mit de|ni Einweggleichrichtern, z. B. Trockeinglieichrichterm 15, 16, 17, 18, liegen. Der Mittelsehenkel weist bei 19 einen Luftspalt auf, in welchem¹ ein Dauermagnet 20 drehbeweglich angeordnet ist. Dieser Magnet sitzt auf der Achse des Rährmcheins 2 und' wird mit diesem' bewegt, wie durch die strichpunktierte Verbindungslinie zwischen diesen beiden Teilen angedeutet ist. Der Magnet kann räumlich 'und •gewichtlich außerordentlich klein gehalten werden, z. B. Bruchteile von 1 Gramm wiegen bei wenigen. Mi]Iimetemi Länge, so daß zu seiner Betätigung auf kleinste Eingangsströnie Oder Spannungen ansprechende Meßwerke verwendet werden können. Die Anordnung 11 besteht aus zwei ßrückenscha.ltungen, die abwechselnd während verschiedenier Ha.lbperiodein dies Speisewechselstromes, der voini einer Stromquelle 21 geliefert wird, arbeiten. Die eine Brückenschaltuing enthält als Brückenzweige die beiden konstanten, gleich großen Widerstände, z. B. Drosselspulen 22, 23 und zwei gesteuerte Widerstände', bestehend aus Wicklung 11 in Reihe ,mit Gleichrichter 15 und Wicklung 14 in Reihe mit Gleichrichter 18. In dem einen Diagonalzweig liegt die Wecnsielstramqueille 21, in dem anderen. Diagonalzweig zwischen· den Punkten ß, b der Verbraucher, z. B. ein Anzeigeinstrument 24. Die andere Brückensehaltuing hat mit der ersten Brücfcamschaltung" die konstanten Widerstände 2 2, 23 'und die beiden Diagranialzweige gemeinsam. Die steuerbaren Brückenzweige werden gebildet von den Reihenschaltungen Wicklung 12 und Gleichrichter 16 bzw. Wicklung 13 und Gleichrichter 17. In dan. Arbeitswicklumgen 11, 12, 13, 14 fließt ©in periodisch veränderlicher, einten Gleichstrom enthaltender Strom¹.

Dieser Strom' kann in einen Wechselstronaamtail und in einem Gleiehstronija;nteil zerlegt gedacht werden. Beide Anteile erzeugen in dem¹ Körpier 5 magnetische Arbeitsflüsse, und zwar magnetische Wechselflüsse und magnetische Gleichflüsse. Die Arbeitsgleichflüsse sind durch die Pfeile 11', 12', 13', 14' versiniribildet. Diesen Arbeiitsgleichflüssen überlagern sich die magnetischen Steuergleichflus.se, die vom dam Steuermagneten 20 in dem Körper 5 erzeugt werden und 'die durch die strichpunktiertem) Pfeile 25', 26', 27' angedeutet sind.

Für die in der Figur gezeichnete Nullage des Steuiermiagneten bzw. dies Rähmchens 2 sind die Steuergleichflüsse 26', 26', 27', 27' praktisch Null; bei gleich ausgelegten Drosseln fließen in den Arbeitswickluingen gleich große Ströme, die Punkte <a, b haben daher gleiches Potential, und das Instrument 24 ist stromlos. Nimmt der Steuermiagniet eine von der NuillsteiUung 'abweichende Stellung ein, so erzeugt er in dein Seitemschenkeln magnetische Gleichflüsse, die sich den durch dian Arbeitsstrom! hervorgerufenen Arbeitsgleichflüssen überlagern. In der Brückemischaltupg mit dem Wicklungen 11, 14 unterstützt z.B. der Steuerfluß 26' für eine angenommenie Stellung des Steuermagneteh. dem Arbeitsgleichfluß 14' in dem' Schenkel 10, währ and der Steuerfluß dem Arbeitsgleichfluß' 11' im de'm! Schenkel 7 entgegenwirkt. Dadurch wird dar Widerstand, der Wicklung 14 vermindert, der der Wicklung 11 vergrößert, in dom¹ Brücken,-iinstrument fließt daher ein Strom von eimer durch den Pfeil 24' angediente tan, Richtung. Die Verhältnisse in der Brückenschaltung mit den Wicklumgen. 12, 13 sind analog und so gewählt, daß der Brückenstrom: 2 4" dieselbe Richtung ha,t wie der Brückemistrom¹24'. Nimmt der Steuermagnet eine zur angenoimmeinen Lage in bezug auf die Nullage symmetrische Stellung ein, wird das Brücken,-inistrument von gleich großen Strömen emtgegen!- gesatzter Richtung durchflossen. Der Stroim / in denn Brückeninstrument ist somit nach Intensität und Richtung eine Funktion, dies Winkels φ zwischein Nullstellung und Achse des Steuisrmagnieteni.

Dear Strom im einer Arbeitswickilung hängt, wie eben erwähnt, von dem¹ Winkelig? a,b. Daher sind auch 'die beiden Anteile des Arbeitsstromes, nämlieh der Weehselstromanteil und der Gleichstromanteil, Funktionen dieses Winkels. Damit hängt der vom Gleichstromanteil erzeugte magnetische Arbeitsgieichfluß von der Lage des Steuermlagneten ab und wirkt im¹ Sinn einer Rückkopplung, 'die hier als innere Rückkopplung bezeichnet sei, wodurch eine besonders große Empfindlichkeit der Anordnung gewährleistet ist.

Zur weiteren Erhöhung der Empfindlichkeit können 'die von der Stellung dies Steuermiagmetieh beeinflußten Strömie der Stromzweige der Anordnung dazu verwendet wer dem, im dem Körper 5 zusätzliche magnetische Flüsse zu erzeugen. In dem. Auisführungsbeiispial fließt der Ausgangsstromi / durch eine Wicklung 28, die diem 'Mittelschenkel des Körpers zugeordnet ist. Der Strom¹ in_j dieser Wicklung kann wiederum zerlegt gedacht werden in einian Gleiehistromanteil uind in einen Wechselst roimamt eil. In 'dam Ausführungsbeispiel wird der Gleichstromanteil zur Erzeugung zusätzlicher magnetischer Flüsse verwendet. Der Gleichstromiainteil erzeugt in dem Körper magnetische Gleichflüsse, die durch 'die¹ Pfeile 28' !angedeutet sind. Die VerhältndiSise sind so gewählt, daß diese Flüsse die von; darm Steuiermagneten erzeugten Flüsse unterstützen, also im Sinn einer positiven, Rückkopplung arbeiten und dadurch die Empfindlichkeit der Anordnung weiter erhöhen.

Der Brückenstrom durchfließt einen Widerstand 29 und erzeugt an ihm¹ einen Spannungsabfall. Parallel zu idiiesiam Widerstand liegt in Reihe mit

einelm Widerstand 30 die Wicklung 2. Der vom Strom / an. dem Widerstand 29 hervorgerufene Spammungsiabifall erzeugt einem Koimipemsations strom, der beim Auisführuinigsbeispiel dem Eingangsstrom im der Wicklung 2 ieintgegejnwirkt. Unter dem Einflußi vioiiii Eingiangsstroin u'nid Kompensationsstrom drehen! sich Räibmehen und Steuermagnet 20 so lange, bis die beiden Ströme gleich groß sind.

Da, der Koimpiemisiationsstrom, wie die Schaltung zieäjgit, dam Ausjgiamgsstrom / verhältliich ist, ist / proportional 'dem Eingiängsstrom /, wobei der Proportiomiajitätsfiaktor lediglich durch die Größe der Widerstände 29, 30 bestimmt ist. Dias bedeutet, daß der Verstärkungsfaktor der Gesaimtanoridlnumg uirtabhängig ist von Änderungen der Betrieibsdatien. der Anordnungen I, II, z. B. unabhängig von Schwankungen der Spannung und Frequenz der Stromquelle 2 i_a von Änderungen· der Majteriialkons tarnten, z.B. Änderungen in den Kionstajnteln der Gleichrichter unter dem Einfluß von Temperatur und Zeit, Änderungen der Daten der magnetischen Materialien usw. Es bedeutet weiterhin, daß die Abhängigkeit des AuisgangsstHomes der Anordnung II von der Stellung des Magnetein 20 nicht linear zu sein braucht, z.B. starke Abweichungien vom einem geradlinigen Verlauf oder verschiedienes Verhalten bei Aussteuerung nach beiden. Seiten zeigen darf.

Die Strommess'uing erfolgt praktisch leistungs-

lo'S, ida im Gleichgewichts'züstainid die Wicklung 2 stromlos ist. Zur Vereinfachung der Darstellung! weiterer Ausführunigsbeispieile ist ein. Teil der Anordnung mach Fig. 1 in Fig. 2 wiederholt, wobei gleiche Schaltelemente mit gleichen Bezugszeichem verseheni sind.

An Stelle des Widerstandes 29 kann, wie Fig. 3 zeigt, einer von dem bereits vorhandenen Widerständen, z. B. der Widerstand der RückkopplüngB,-wicklung 28 oder dies Verbrauchers, Verwendung finden.

Fig. 4 zeigt die entsprechende Schaltung für Spanmuingsniiessumg. Der mit 'dem Rähmchen bewegte Magnet regelt dabei den Auisgangsstrom' so • ein, daß der Spannungsabfall am: Widerstand 29 gleich der zu messenden Einganges pannuing ist.

Folg¹. 5 aeigt leine Schaltung, in welcher Eingamgsuind Ausgangskreis galvanisch getrennt sind. Auf dem Rähmchen befindet sich eine zweite Wicklung 31, die von dem Auisgangsstrom oder einem Teil davon 'durchflossen wird, Unter dem¹ Einfluß des' Eingangs- 'und Ausgangsstroraes wird 'das Riähmchein siO' lange gedreht, bis sich die von diesen Strömen erzeugtem Drehmomente das Gleichgewicht halten.

An die Stelle: des Meßwerkes I kann irgendein

auf Ströme oder Spannungen ansprechendes: Meßwerk treten. Es können auch Meßwerke mit mehre remi Meßisystemen Verwendung finden, z. B. ein Meßwerk, bei dem das eine Meßsystem nlach Art eines Quadrantelektrometers ausgebildet ist, dem die¹ zu miessiemdle Spannung zugeführt wird^!, und desseim anderes System· 'ein Drehspulmeßwierk ist, das durch den Rückführungisstrom betätigt wird.

Fig. 6 zeigt ein Aulsführungsbeispiel mit einer Anordnung II, in welcher Magnetfeldröhren Verwendung finden. Die Teilanordmuhg II stellt eine Brückenischaltüng dar. Die Brückenwiderstände werden gebildet von den beiden festen oder Regelwidenstälmdien 32, 33 und dem Widerständen der Elektronenstrecke Anode—Kathode der ■ beiden Magnetfeidröhren 3 4, 3 5 mit den Kathoden 36, 37. und den Anodiem 38, 39. In der Brücke der An₁-Ordnung liegt ein Verbraucher 40. Zur Speisung der Schaltung 'dient eine Gleich- oder Wechselstnoim'qüelle 41, aus der über dan Widerstand 42 auch der Heizstrom' für die Röhren, entoommem' wird.

Jede der beiden Röhren liegt in einem' Magnetfeld, das mit Hilfe der Magnete 44, 45 erzeugt wird. Diese Magnete sind z. B. U-förmig gebogen, wie Fig¹; 7 zeigt, und werden vom einem Arm 43 getrageim, der mm eine Achse! 46 drehbar ist. Diese Achse trägt z. B. gleichzeitig da,s Rähtachem eines Meßsys'tems I, etwa entsprechend dein Ausführunigen zu Fig. i, so daß mit dem Rähmchen 2 die beiden Steuermagnete 44, 45 bewegt werden. In dem Ausführunigsbeispiel decken in der Nullstellung die Magnete jede der beiden Röhren zur Hälfte ,ab. Dadurch ist der Arbeitspunkt auf der Röhrenkenmlinie Anodenstrioimmagnetfeld gegeben. Er sei so gewählt, daß beide Röhren, etwa, gleichen Widerstand halben. Durch 'die WaM des Verhältnisses der Widerstände 32,33 ist die Brückienschaltung abgeglichen und der Verbraucher 40 stromlos gemacht. Fließt in. dem Rähmchen 2 ein Eimigangsstrom¹, taucht durch die Drehung des Rähmchens und damit der Magnete¹44, 45 die eine Magnetfeldröhre, z.B. die Röhre 34, stärker in das^ Magnetfeld ein, während die Röhre 3 5 ia,us dem Magnetfeld entfernt wird. Dadurch steigt der Widerstand der Elektroniemstrecke der Röhre 34 .am, während sich der Widerstand der Elektroniemstrecke der Röhre 3 5 vermiimdert. In dem Verbraucher fließt somit ein Strom von bestimmter Intensität und Richtung. Nehmen die Magnete eine in bezug auf die Nullage zur abgenommenen Lage symmetrische Stellung ein, ist der Brückemstrom gleich groß, a,ber entgegengesetzt gerichtet. Der Stromii im Verbraucher 40 ist somit nach Größe und Richtung voni der Stellung der Magnete bzw. dies Rähmchens 2 abhängig.

Zur Erhöhung der Empfindlichkeit liegt parallel zum¹ Verbraucher ein Rückkopplunigskreis, bestehend a;uis den Wicklungen 47, 48 und dem· Regielwiderstand 49, die Wicklungem 47, 48 können gegebeneinfajls auch in Reihe mit dem Verbraucher liegen. Die Rückk'opplumgswicklungen 'umgeben die Röhren in der in Fig. 7 angedeutetem Weise. Die Wicklung 47 erzeugt ein Magnetf el d, das in diemiAusführungsbeispieil senkrecht zu, dem: Steuerfeld des Magneten 44 verläuft, aber durch die Art der Ausbilduingi der Elektroden gamz ähnlich wirkt wie das Steuerfeld. Die magnetischen Verhältnisse sind so getroffen', daß die beiden Rückkoppluingsfelder eine Änderung der durch die Drehung dler Magnete um die Achse 46 hervorgerufieinen Steuerfelder unterstützen'. Zur Einstellung des Rückkopplungsgra^des dient der Regel widerstand 49.

Die Rückführung· des den Verbraucher durchfließenden Ausgaingsstromies auf dein Eingang, d.h. ajuf die· Rähmchemwicklung, ist Mer nicht dargestellt, sie kapn z. B. in derselben Weise erfolgten wie im dem' Ausführungisbeispiiiel mach Fig·, ι.

Bei den beschriebenen Aniordniuinjgieh wunde vorausgesetzt, daß auf das Meßwerk I außer dien Richtkräftein, hervorgerufen durch dan Meßstrora und dein Kompensaitioinsstrom, keime fremden Richtkriäfte einwirken. Bei Verstärkern, die auf extrem kleine Eingangsenergie ansprechen sollen und daher zweckmäßig ein sehr empfindliches Galvano ■rneiter als System I verwenden, ist es unmöglich, dieses System, richtkraftfrei zu laigiern oder aufzuhängten. Geimäß weiterer Erfindung wird die Anordnung so ausgebildet, daß durch eine Rückführung¹ nur der Einfluß vom Sehwankungejn der Betriebsdaten oder Änderungen, der Konstanten auf die Anordnung II aufgehoben wird. Zu diesem Zweck dient der Ausgangsstrom' der Anordnung II dazu, im.· dieser Anordnung zusätzliche magnetische Fielder bzw. magnetische Flüsse zu erzeugen, die dem¹ Steuerfeld bzw. Steuerfluß, hervorgerufen durch dein Sitexiermiagneten, entgegenwirken. Eine solche Anordnung stimmt z. B. mit der in Fig. 6 dargestellten Anordnung überein, wenn die (in der Figur nicht eingezeichnete) Rückführung auf das System I wegfällt uind die magnetischen Verhältnisse der Kopplungswicklungen 47, 48 so gewählt werden, daß sie einer Änderung der Steuerfelder der Magnete 44, 45 entgegenwirkeni. In dem¹ Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 würde diese Art der Rückführung auf das System II dadurch zu erreichein sein, daß main die Wicklung 28 in umgekehrter Richtung von dem Strom des Verbrauchers ■ durchfließen läßt.

Der Erfinidungsgedanke kann weiterhin auf Anordnungen Anwendung finden, bei welchen der Ausgangsstrom des Systems II dem Verbraucher über eine weitere Verstärkerstufe zugeführt wird. Das Schema einer derartigen, zusammengesetzten Anordnung zeigt Fig. 8. I bezeichnet wiederum ein Meßwerk, das durch eine elektrische Größe betätigt TOrd uind einen Magneten bewegt, mit dessen Hilfe in einer Anordnung II ein elektrischer Strom gesteuert wird; III deutet einen Verstärker an.

Die lajn Hand der Fig. 1 beschriebene Rückführung auf das Meßwerk I kann in entsprechender Weise mit Hilfe des Ausgangs Stromes des Verstärkers erfolgen, was durch den Pfeil 50 angedeutet ist. Diese Anordnung verlangt ein fesselungsfreies Meßwerk; -der Verstärkungsfaktor der Gesaimtanordniung ist dann uniaibhängig von Änderungen der Betriebsdaten oder Änderungen der Ma>terialkOnstanten usw., sämtlicher Teilamordnungen I, II, III. Innerhalb dieser Anordnung" kamin die Teilanordnung II für sich eine Rückführung in der beschriebenen Weise erhalten, indem· ein Teil der Ausgangsenlergie der Anordnung II dazu verwendet wird, in dieser Anordnung zusätzliche Magnetfelder zu erzeugen, die deim durch den Magneten MS erzeugten Steuerfeld entgegenwirken. Diese Rückführung ist durch Pfeil S1 versinnbildet. Schließlich kann auch ein Teil der Ausgangsenergie des Verstärkers III in analoger Weise zur Erzeugung eines Rüekführungsfeldes in der Anordnung II Verwendung finden, was durch den Pfeil 52 angedeutet ist. Die durch die Pfeile 51, 52 angegebenen Rückführungen werden zweckmäßig dann Anwendung finden, wenn das System¹1 nicht richtkraftfrei ausgeführt werden und die Rückführung 50 nicht Anwendung finden kann.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Verstärkung klemier elektrischer Größen, die in einem Meßgerät mit vorzugsweise richtkraftfreiem Meßwerk im eine mechanische Große umgeformt werden, dadurch gekennzeichnet,, daß durch das Meßwerk ein Magnet verstellt wird, dessen Feld den Ausgangsstrom einer auf magnetische Felder ansprechenden Anordnung steuert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als auf magnetische Felder ansprechende Anordnung eine Kerndrosselspulenanordnung vorgesehen ist, deren induktiver Widerstand 'durch Änderung dier Permeabilität der Spulenkerne mittels des steuernden •Magneten geändert wird.

3. Einrichtung¹ nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als auf magnetische Felder ansprechende Anordnung eine Magnietfeldröhre vorgesehen ist, bei welcher der Widerstand der Elektronienstrecke durch das Feld des steuernden! Magneten geändert wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspulen von Wechselstrom durchflossen sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspulen von periodisch veränderlichem ' Gleichstrom durchflossen sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung der Magnietfeldröhre Wechselstrom verwendet ist.

7. Einrichtung nach einem¹ der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Ausgangsenergie zur Kompensation der Eingangsenergiej des Meßgerätes verwendet wird.

8. Einrichtung nach einem¹ der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Ausgangsienergie dazu verwendet wird, die Wirkung der Eingangs energie zu kompensieren.

9. Einrichtung nach eimern der Ansprüche 1

bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Teil der Ausgang S'energie in der auf die magnetischen Felder ansprechenden Anordnung zusätzliche magnetische Felder erzeugt werden.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gemannten zusätzlichen, !magnetischen Felder dem vom Steuermagneten erzeugten Feld entgegenWirken.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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