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Magnetverstärker Zusatz zum Patent 914 390 Gegenstand des Hauptpatentes
ist ein richtungsempfindlicher Magnetverstärker mit zwei hinsichtlich Aufbau und
Wirkungsweise gleichartigen Verstärkereinheiten, bei welchem die gleichgerichteten
Arbeitsströme zur Erzeugung zusätzlicher magnetischer Flüsse in gegenseitiger Kopplung
der beiden Einheiten benutzt sind. Die zusätzlichen Flüsse sind in einer besonders
zweckmäßigen Ausführungsform derart gewählt und bemessen, daß der zusätzliche Fluß
jeder Einheit der Differenz der Ausgangsströme bzw. dem Differenzstrom verhältig
ist.
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Der Gedanke einer gegenseitigen Kopplung mittels der gleichgerichteten
Ströme ist mit besonderem Vorteil auf Verstärkeranordnungen anwendbar, bei denen,
insbesondere zur Erzielung eines besonders hohen Verstärkungsgrades, zwei oder mehr
richtungsempfindliche Verstärker mit jeweils zwei Verstärkereinheiten in Kaskade
geschaltet sind, so daß der Ausgangsstrom einer Einheit einer Verstärkerstufe ganz
oder teilweise als Eingangsstrom einer oder beiden Einheiten der folgenden Verstärkerstufe
zugeführt wird. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Ausgangsströme
der Verstärkereinheiten einer Verstärkerstufe zur Erzeugung gegenseitiger zusätzlicher
Flüsse in den Kernen der Einheit einer vorhergehenden Verstärkerstufe benutzt werden.
Bei
dem in der Zeichnung in Fig. i schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist
eine Verstärkeranordnung mit zwei in Kaskade geschalteten Verstärkerstufen A, B
gezeigt. Der Verstärker A besteht aus den beiden gleich ausgelegten Einheiten I,
1I mit den Kernen i bzw. 21 und den Arbeitswicklungen 2, 3 bzw. 22, 23, die in Reihe
mit Gleichrichteranordnungen, z. B. Graetzschaltungen ¢ bzw. 2q., liegen und aus
einem Wechselstromnetz gespeist sind. Die Steuerung der beiden Einheiten erfolgt
mittels der Steuerwicklungen 5 bzw. 25, denen der Steuerstrom über die Eingangsklemmen
a, b zugeführt wird. Die gleichgerichteten Arbeitsströme sind mittels der
Wicklungen 6 bzw. 26 zur Erzeugung einer zusätzlichen Gleicherregung in den Kernen
der beiden Einheiten verwendet.
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Der Verstärker B ist in ganz entsprechender Weise ausgebildet und
weist ebenfalls zwei Einheiten I', II' mit den Kernen ioi bzw. i2i und den aus dem
gleichen Wechselstromnetz gespeisten Arbeitswicklungen io2, 103 bzw. 122, 123, den
Gleichrichteranordnungen 104 bzw. 124 und den Rückkopplungswicklungen ioö bzw. 126
auf. Die Steuerung dieser Stufe erfolgt mittels der Ausgangsströme der Stufe A.
Zu diesem Zweck durchfließt der gleichgerichtete Arbeitsstrom der Einheit I eine
Steuerwicklung io5 der Einheit I' und eine Steuerwicklung 127 der Einheit IM Entsprechend
durchfließt der gleichgerichtete Arbeitsstrom der der Einheit II eine Steuerwicklung
125 der Einheit 1I' und eine Steuerwicklung 107 der Einheit I'. Im Ausgang der Stufe
B liegt als Verbraucher ein Gerät mit zwei Verbrauchersystemen, z. B. ein Differentialgalvanometer
mit den beiden Wicklungen io8; 128.
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Die Wirkungsweise der bisher beschriebenen Anordnung ist folgende:
In der Nullstellung beim Eingangsstrom Null, sind die Arbeitsströme in den beiden
Einheiten I, II der Stufe A gleich. In den beiden Rückkopplungswicklungen 6, 26
der Stufe A sowie in den Steuerwicklungen der Stufe B fließen gleich große gleichgerichtete
Ströme. Die magnetischen Verhältnisse der Stufe B sind so gewählt, daß die Steuerflüsse
in jeder Einheit entgegengesetzt gleich sind, so daß der resultierende Steuerfluß
in jeder Einheit Null ist. Daher sind auch die Ausgangsströme J1, 1, gleich und
heben sich in ihrer Wirkung auf das Gerät G auf. Fließt ein Steuerstrom i in dem
in der Zeichnung angegebenen Sinn, so erzeugt er mittels der Wicklungen 5, 25 der
Stufe A Steuerflüsse in den beiden Einheiten I, 1I, wobei die magnetischen Verhältnisse
so gewählt sind, daß Rückkopplungsfluß und Steuerfluß in der Einheit I gleichen
Richtungssinn, in der Einheit II entgegengesetzten Richtungssinn besitzen. Infolgedessen
wächst der Arbeitsstrom der Einheit I an, während derjenige der Einheit II mehr
oder weniger abnimmt. In der Stufe B überwiegen daher die Steuerflüsse der Wicklungen
io5, Z27 diejenigen der Wicklungen 125, 107- Wie sich aus den die Flüsse versinnbildlichen
Pfeilen ergibt, hat der resultierende Steuerfluß der Einheit I' denselben Richtungssinn
wie der Rückkopplungsfluß der Wicklung io6, während in der Einheit 1I' der resultierende
Steuerfluß den Rückkopplungsfluß der Wicklung 126 entgegengesetzt gerichtet ist.
Der Ausgangsstrom jl steigt infolgedessen an, während der Ausgangsstrom J2 mehr
oder weniger abnimmt. Kehrt der Eingangsstrom i seine Richtung um, so steigen die
Ströme in den Einheiten II, II' an, während sie in den Einheiten I, I' abnehmen.
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Die Charakteristik der Verstärkeranordnung (der das Gerät beeinflussende
Differenzstrom über Aus-; gangsstrom) weist einen durch den Nullpunkt gehenden mehr
oder weniger geradlinigen Teil auf, der nach beiden Richtungen in einen Sättigungsbereich
übergeht. Diese Charakteristik kann durch Anwendung einer gegenseitigen Kopplung
der beiden Verstärkerstufen einem gewünschten Verwendungszweck in sehr vorteilhafter
Weise angepaßt werden. So ist beispielsweise für Meßverstärker ein streng proportionaler
Zusammenhang zwischen Eingangsstrom und dem das Gerät beeinflussenden Ausgangsstrom
der Anordnung erforderlich.
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Beim Ausführungsbeispiel ist die gegenseitige Kopplung in folgender
Weise durchgeführt: Der Ausgangsstrom Jl durchfließt außer der Verbraucherwicklung
io8 noch zwei weitere Wicklungen 29 und g der Stufe A, die den Kernen der beiden
Einheiten I, 1I in analoger Weise zugeordnet sind wie die Steuerwicklungen 5, 25.
Entsprechend durchfließt der Ausgangsstrom 1, außer der Verbraucherwicklung
128 noch die Kopplungswicklung 1o, 30. Die magnetischen Verhältnisse sind so gewählt,
daß diese zusätzlichen Kopplungsflüsse in jeder Einheit einander entgegenwirken.
In der Nullstellung sind die beiden Ausgangsströme J1, 12 gleich groß, es heben
sich daher die Wirkungen der zusätzlichen Kopplungsflüsse in jeder Einheit auf.
Fließt ein Steuerstrom i, so überwiegt einer der Ausgangsströme J1, J2, und mittels
der Kopplungswicklungen wird ein resultierender Fluß erzeugt, der beim Ausführungsbeispiel
so gerichtet und bemessen ist, daß er jeweils dem Steuerfluß in den beiden Einheiten
entgegenwirkt. Da der Verbraucher mit zwei Verbrauchersystemen arbeitet, von denen
jedes von dem Ausgangsstrom einer Einheit durchflossen ist, sind auf den Einheiten
I, II jeweils zwei Kopplungswicklungen vorgesehen, um einen resul- i tierenden Kopplungsfluß
zu erzeugen, der der Differenz der Ausgangsströme proportional ist.
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Die Wirkungen der zusätzlichen gegenseitigen Kopplung ergeben sich
aus folgendem: Bei einer Anordnung ohne eine derartige Kopplung ist, wie bereits
erwähnt, der Differenzstrom d J = J1 - J2 dem Eingangsstrom i proportional. Der
Proportionalitätsfaktor, der mit V bezeichnet sei und gleichzeitig den Verstärkungsfaktor
darstellt, ist im allgemeinen eine Funktion des Eingangsstromes sowie von Einflußgrößen
wie Materialkonstanten, z. B. des Kernmaterials der Gleichrichter, von Betriebsbedingungen,
wie Netzspannung, Netzfrequenz, und von Zustandsgrößen, wie Temperatur, Zeit usw:
Bei der Anordnung gemäß der Erfindung ist der Ausgangsdifferenzstrom proportional
(Proportionalitätsfaktor V) der Differenz aus Eingangsstrom und einem Produkt: Ausgangsdifferenzstrom
multipliziert mit einem Faktor f, der beim Ausführungsbeispiel der Fig. i durch
das Verhältnis der Windungszahlen von Kopplungswicklung zu Eingangswicklung gegeben
ist,
der als Kopplungsgrad bezeichnet sei und unabhängig von den
obenerwähnten Einflußgrößen gehalten werden kann. Der Verstärkungsfaktor, d. h.
bei einer Anordnung gemäß derErfindung der Proportionalitätsfaktor zwischen Ausgangsdifferenzstrom
und Eingangsstrom, der hier als effektiver Verstärkungsfaktor bezeichnet sei, ist
außer von dem ursprünglichen Verstärkungsfaktor V auch von dem Kopplungsgrad f abhängig.
Je stärker der Kopplungsgrad gewählt wird, um so geringer wird der Einfluß des Verstärkungsfaktors
auf den effektiven Verstärkungsfaktor und verschwindet bei hinreichend starker Kopplung.
Im Grenzfall hängt somit der effektive Verstärkungsfaktor lediglich von dem Kopplungsgrad
ab, was bedeutet, daß die Anordnung unabhängig von der Größe des Eingangsstromes
und unempfindlich gegen die obenerwähnten Einflußgrößen geworden ist. Jedem Wert
des Eingangsstromes ist innerhalb von Fehlergrenzen, die beliebig klein gewählt
sein können, ein Ausgangsdifferenzstrom streng proportional zugeordnet.
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Wird im Ausgang der Anordnung statt eines Verbrauchers mit zwei Verbrauchersystemen,
wie in Fig.1, ein Verbraucher vorgesehen, der nur ein Verbrauchersystem aufweist,
das je nach der Richtung des Steuerstromes von dem Differenzstrom in dem einen oder
anderen Sinn durchflossen ist, so vereinfacht sich die Anordnung der zusätzlichen
Kopplungswicklungen in der Weise, daß für jede Einheit der Verstärkerstufe, in der
die gegenseitige Kopplung vorgenommen wird, nur eine einzige Kopplungswicklung erforderlich
ist. In Fig. 2, die in den übrigen Teilen mit dem Ausführungsbeispiel der Fig.1
übereinstimmt, ist ein Gerät G', z. B. ein Anzeigegerät mit nur einem Verbrauchersystem,
vorgesehen, das in der dargestellten Weise unter Verwendung von zwei Widerständen
y1, 72 an die Gleichrichteranordnungen 104, 12q., die ihrerseits an den Punkten
m, n mit der übrigen Schaltung verbunden sein sollen, angeschlossen ist.
Zur Erzeugung der zusätzlichen Kopplungsflüsse dienen die Wicklungen 11, 31, die
in der Stufe A den Kernen der Einheit I, 1I zugeordnet sind. Durch diese Wicklungen
fließt ein Strom, der der Spannung am Verbraucher G' proportional ist. Die magnetischen
Verhältnisse sind wiederum so gewählt, daß die Kopplungsflüsse in jeder Einheit,
wie durch die zugehörigen Pfeile angedeutet ist, den Steuerflüssen entgegengesetzt
gerichtet sind. Diese Anordnung, bei der die Kopplungswicklungen statt in Reihe
auch parallel liegen können, ist auch bei Verwendung von zwei Verbrauchern möglich,
wobei in diesem Falle zur Speisung der Wicklungen 11, 31 ein zusätzlicher Kreis
entsprechend den Ausführungen bei Fig. 2 gebildet wird.
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Der Kopplungsgrad kann durch Wahl der Windungszahl der Kopplungswicklungen
mit Hilfe von Regelwiderständen, z. B. in Fig. 2 mit Hilfe des Widerstandes R, Spannungsteilern
u. dgl. geregelt werden. Je stärker die Kopplung ist, um so geradliniger verläuft
die Charakteristik bei einer ursprünglichen Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors
V- vom Eingangsstrom i und um so empfindlicher wird die Anordnung gegenüber Schwankungen
der im vorstehenden genannten Einflußgrößen, während der effektive Verstärkungsfaktor
immer kleiner wird. Der Kopplungsgrad wird daher zweckmäßig nur so stark gewählt,
daß der effektive Verstärkungsgrad innerhalb der vorgeschriebenen Meßgenauigkeit
bleibt. Der effektive Verstärkungsfaktor hängt außer von V 'noch von dem Faktor
f ab, der im allgemeinen ebenfalls von den Einflußgrößen abhängig ist. So ist dieser
Faktor im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 außer vom Verhältnis der Windungszahlen
Kopplungswicklung zu Eingangswicklung auch von den Widerständen im Verbraucher-und
Kopplungskreis abhängig. Diese Widerstandswerte sind z. B. abhängig von der Temperatur.
Diese Abhängigkeit läßt sich in bekannter Weise beseitigen. So ist es z. B. möglich,
durch Wahl gleichen Widerstandsmaterials, wenn sämtliche Widerstände dieselbe Temperatur
haben, oder verschiedenen Materials mit entsprechendem Temperaturgang, wenn die
Temperaturen des Verbrauchers und des Magnetverstärkers verschieden sind, eine Unabhängigkeit
des Faktors f von der Temperatur zu erreichen. Die Verhältnisse können auch so gewählt
sein, daß dieser Faktor von den Zustandsgrößen, z. B. von der Temperatur, in solcher
Weise abhängig gemacht wird, daß dadurch der restliche Einfluß des Verstärkungsfaktors
V auf den effektiven Verstärkungsfaktor ganz oder teilweise kompensiert sind. Für
viele Zwecke ist es erwünscht, den Ausgangswert nicht proportional vom Eingangswert,
sondern nach einer anderen Funktion, z. B. nach einem Wurzelwert, abhängig zu machen.
Zu diesem Zweck werden in die Kopplungskreise nichtlineare Widerstände, Spannungen,
elektrischmechanische Geräte od. dgl. eingefügt.
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Bei den Ausführungsbeispielen wurde angenommen, daß der Ausgangsdifferenzstrom
dem Eingangsstrom streng proportional gemacht wird. Ist der Verbraucher ein stromunabhängiger
Widerstand, so besteht Proportionalität auch zwischen der Ausgangsdifferenzspannung
und dem Eingangsstrom bzw. der Eingangsspannung. Für die Anordnung nach Fig. 2 gilt
die Proportionalität zwischen den genannten Spannungen auch dann, wenn der Verbraucher
stromabhängig ist oder in dem Verbraucherkreis elektromotorische Kräfte auftreten.
Die Anordnung wird dadurch besonders wertvoll für Regel- und Steuerzwecke, bei denen
im Ausgangskreis beispielsweise ein Motor liegt, dessen Klemmenspannung dann in
Abhängigkeit vom Eingangsstrom geregelt werden kann, während ohne die gegenseitige
Kopplung nur der Motorstrom in Abhängigkeit vom Eingangsstrom geregelt wird. Liegen
die Kopplungswicklungen in Reihe mit dem Verbraucher wie in Fig. i, so besteht Proportionalität
zwischen Eingangsstrom und Ausgangsstrom auch bei Verwendung stromabhängiger Widerstände
bzw. elektromotorischer Kräfte im Verbraucherkreis.
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Der Erfindungsgedanke ist mit Vorteil auf Verstärkerkaskaden anwendbar,
bei denen der Ausgangsstrom von mehreren Steuerwerten abhängig gemacht wird. Bei
einer derartigen Anordnung bleibt nicht nur das Mischungsverhältnis, sondern auch
der funktionelle Zusammenhang von Ausgangswert und resultierendem Steuerwert unabhängig
von den einzelnen Eingangswerten und von den Einflußgrößen. Bei Meßanordnungen
ist
im allgemeinen eine Beeinflussung der Einstellzeit des Anzeigegerätes erwünscht.
Dies läßt sich mit einer Verstärkeranordnung gemäß der Erfindung dadurch erreichen,
daß neben oder statt der beschriebenen Kopplung eine weitere Kopplung vorgenommen
wird, bei welcher von dem Ausgangsstrom bzw. von der Ausgangsspannung abgeleitete
Größen, z. B. ein Differentialquotient oder ein Integralwert, zur Erzeugung der
zusätzlichen Flüsse verwendet werden. So kann z. B. in Fig. 2 in Reihe mit dem Gerät
G' die Primärwicklung eines Transformators liegen und der von der Sekundärwicklung
gelieferte Strom Kopplungswicklungen zugeführt werden, die den Kernen in entsprechender
Weise zugeordnet sind wie die Wicklungen 1i, 31. Für andere Zwecke können Kondensatoren,
RC-Glieder, durch Integrationsmotoren regelbare Potentiometer u. dgl. vorgesehen
sein.
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Zur Erzeugung der Kopplungsflüsse können bereits vorhandene Wicklungen,
z. B. die Steuerwicklungen, Verwendung finden, wobei es vorteilhaft ist, die Kopplungskreise
noch mit auszubilden, um eine Schwächung der Steuerenergie zu vermeiden.
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Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die gegenseitige Kopplung
so gewählt und bemessen, daß der resultierende Kopplungsfluß in jeder Einheit dem
Steuerfluß entgegengesetzt gerichtet ist. Für viele Aufgaben, beispielsweise um
eine extrem große Verstärkung zu erreichen, können die magnetischen Verhältnisse
so gewählt werden, daß die resultierenden Kopplungsflüsse die Steuerflüsse unterstützen.
Die Rückkopplungsflüsse bzw. bei gegenseitiger Kopplung der beiden Einheiten einer
Stufe die gegenseitigen Kopplungsflüsse können in jeder Verstärkerstufe mit Rücksicht
auf die damit verbundene Vergrößerung des Nullstromes und Verminderung des Aussteuerbereiches
sowie wegen der Nullpunktsicherheit nur bis zu einer bestimmten Größe gewählt werden.
Durch Anwendung einer zusätzlichen Kopplung gemäß der Erfindung kann, wie sich gezeigt
hat, darüber hinaus eine Erhöhung des Verstärkungsfaktors erreicht werden, ohne
diese unerwünschten Erscheinungen in Kauf nehmen zu müssen. Dazu kommen herstellungstechnische
Vorteile, z. B. bei Serienfertigung von Verstärkern, deren Verstärkungsgrad auf
einen bestimmten Wert eingeregelt werden soll und bei denen die Kopplungsflüsse
wahlweise zur Vergrößerung oder zur Verminderung des Verstärkungsfaktors benutzt
werden. Für diese Zwecke genügt es bereits, die gegenseitige Kopplung zwischen je
zwei Einheiten der beiden Stufen durchzuführen.
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Die Richtungsempfindlichkeit der Verstärker der einzelnen Stufen ist
bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen durch Verwendung einer Rückkopplung
durchgeführt. Statt dessen können die Einheiten auch mit gegenseitiger Kopplung
ausgeführt werden. Die Richtungsempfindlichkeit kann auch durch eine konstante Vormagnetisierung,
die gegebenenfalls zusätzlich zur Rückkopplung bzw. gegenseitigen Kopplung vorgesehen
ist, durch elektrische Weichen od. dgl. erreicht werden.
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Zur Erzeugung der zusätzlichen Flüsse können irgendwelche vom Eingangsstrom
abhängige Ströme und/oder Spannungen, Gleich- oder Wechselspannungen, gegebenenfalls
unter Verwendung phasenempfindlicher Gleichrichter, oder Ströme, die beiden Einheiten
gemeinsam sind, wie beispielsweise in Fig. 2 oder bei in Brückenschaltung ausgebildeten
Verstärkerstufen, Verwendung finden.