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Richtungsempfindlicher Magnetverstärker mit Rückkopplung Es sind richtungsempfindliche
Magnetverstärker bekannt, die positiv rückgekoppelt sind und daher eine große Empfindlichkeit
,besitzen. Bei einer ,solchen bekannten Anordnung werden zwei hinsichtlich Aufbau
und Wirkungsweise gleichartige Magnetverstärkereinheiten derart verwendet, daß in
jeder Einheit der durch den Eingangsstrom erzeugten magnetischen Durchflutung eine
von dem gleichgerichteten Drosselspulenstrom bewirkte Durchflutung überlagert ist.
Je nach .der Richtung des Eingangsstromes haben 'hierbei die beiden Durchflutungen
in der einen Einheit idie gleiche Richtung und in der anderen Einheit die entgegengesetzte
Richtung und umgekehrt, so daß je nach dem Richtungssinn .des Einffanesstromes im
wesentlichen nur eine von beiden Verstärkereinheiten wirksam ist. Zum besseren Verständnis
der Erfindung soll diese bekannte Anordnung zunächst an Hand der Fig. i und 2 näher
erläutert werden.
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In Fig. i sind mit i und 2 Kerne aus magnetisch gut durchlässigem
Stoff, z. B: einer Eisen-Nickel-Legierung, bezeichnet. Auf -den beiden Kernen ist
je eine Wicklung 3 @bzw. 4 angeordnet. Die beiden Wicklungen 3 und 4 liegen hintereinander
und in Reihe mit dem Verbraucher 5, der aus der Wechselstromquelle 6 gespeist ist.
In .den Wicklungen und damit in dem Verbraucher 5 fließt ein Wechselstrom J, dessen
Größe durch den Wechselstromwiderstand der Wicklungen,bedingt ist. Die Größe dieses
Widerstandes: 'hängt von der Permeabilität
der beiden Kerne entsprechend
dem Arbeitspunkt auf der Magnetisierungskennlinie ab. Auf den beiden Kernen ist
eine gemeinsame Wicklung? angeordnet, die von dem von einem bei 8 vorgesehenen,
in der Zeichnung nicht dargestellten Impulsgeber gelieferten Gleichstrom i, durchflossen
ist. Der Wicklungssinn der beiden Wicklungen 3 und 4 ist so gewählt, daß die von
dem in diesen Wicklungen fließenden Strom in .der Wicklung 7 induzierten Spannungen
sich gegenseitig aufheben. Der in dieser Wicklung 7 fließende Gleichstrom erzeugt
in den beiden Kernen magnetische Flüsse, die den Arbeitspunkt auf der Magnetisierungskennlinie
verschieben. Mit der Verschiebung des Arbeitspunktes tritt entsprechend dieser Kennlinie
eine Änderung der Permeabilität und damit eine Änderung des Wechselstromwiderstandes
der Wicklungen 3 und 4 ein. Der Wechselstromwiderstand dieser Wicklungen ist somit
eine Funktion des Gleichstromes i, in der Wicklung 7 und mit diesem veränderbar.
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Trägt man in einem Schaubild für eine Anordnung gemäß Fig. i ohne
Venbraucher den Ausgangsstrom über dem Eingangsstrom auf, soll !hier als Steilheit
.des Magnetverstärkers: die Neigung der Tangente an diese Kurve in dem Arbeitspunkt
definiert sein. Diese Steilheit ist maßgebend für den Verstärkungsfaktor der Anordnung.
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Eine Vergrößerung des Verstärkungsfaktors wird dadurch erreicht, .daß
der inden Wicklungen 3 und 4 fließende Wechselstrom gleichgerichtet und durch Rückkopplung
im Sinne einer Selbstverstärkung nutzbar gemacht wird, indem er beispielsweise einer
zusätzlichen Wicklung zugeführt wird, die den beiden Kernen in gleicher Weise zugeordnet
ist wie die Wicklung? der Fig. i. Das Wesen dieser Rückkopplung sei an Hand der
Fig.2 kurz erläutert. In Fig. 2 sind gleiche Teile wie in Fig. i mit gleichen Bezugszeichen
versehen. Es bezeichnen wiederum i und 2 die Kerne aus .magnetisch gut durchlässigem
Stoff, 3 und 4 die auf diesen Kernen angeordneten, von Wechselstrom durchflossenen
Wicklungen, 5 den Verbraucher und 6 die Stromquelle. Mit 7 ist wiederum die von
.dem vom Impulsgeber 8 gelieferten Gleichstrom durchflossene Wicklung bezeichnet.
Der in .den Wicklungen 3 und 4 fließende Wechselstrom durchfließt eine Gleichrichteranordnung
g. Der mit Hilfe dieser Gleichrichteranordnung gleichgerichtete Strom speist die
zusätzliche Wicklung io, die .den Kernen i und 2 in gleicher Weise zugeordnet ist
wie die Wicklung 7. In der Wicklung io fließt infolgedessen ein periodisch veränderlicher
Strom, dessen Wirkung auf die Wirkung eines Gleichstromes zurückgeführt werden kann.
Der Strom in dieser Wicklung verschiebt den Arbeitspunkt auf der Magnetisierungskennlinie
und ändert .damit die Permeabilität der Kerne i und 2 und damit den Wechsels:tromwiderstan:d
der Wicklungen 3 und 4 in analoger Weise, wie es im vorstehenden für die Wirkung
des Stromes i. in der Wicklung 7 ausgeführt wurde. Je nach dem Gleichrichtersinn
9 und dem Richtungssinn des in der Wicklung 7 fließenden Stromes ert zeugt der Strom
in der Wicklung io in den Kernen i und 2 magnetische Flüsse, die beide entweder
den gleichen oder entgegengesetzten Richtungssinn haben wie die Flüsse, die durch
den Strom i, in der Wicklung 7 erzeugt werden, d. 'h. die Flüsse können sich entweder
addieren oder subtrahieren.
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Es sei zunächst der Fall ie=0betrachtet. Der in den Wicklungen 3 und
4 und damit in dem Verbraucher 5 fließende Strom J sei für diesen Fäll mit 1, und,der
in der Wicklung io fließende Strom j sei entsprechend dem genannten Nullstrom J,
mit j. bezeichnet. Durch die Ströme J, und ja ist der Arbeitspunkt auf der Magnetisierungskennlinie
der Kerne i und 2 bestimmt. Fließt in der Wicklung 7 ein Strom i, in der Richtung,
daß .die von ihm erzeugten magnetischen Flüsse in Iden Kernen denselben Richtungssinn
haben wie die Flüsse, die von j erzeugt werden, so tritt durch die Wirkung des Stromes
i. eine Verschiebung des Arbeitspunktes auf der Magnetisierungskennlinie in dem
Sinne ein, daß die Permeabilität der Kerne und damit -der Wechselstromwiderstand
der beiden Wicklungen 3 und 4 verringert wird. Mit kleiner werdendem Wedhselstromwi-derstand
tritt eine Vergrößerung von J ein, die wiederum eine Vergrößerung von
j bewirkt. Der Vergrößerung von j entspricht eine Vergrößerung des
von diesem Strom erzeugten Flusses in .den Kernen, die eine weitere Verminderung.der
Permeabilität; damit eine weitere Verminderung der Wechselstromwiderstände der Wicklungen
3 und 4 und damit eine weitere Vergrößerung von J "hervorruft. Der Strom j bewirkt
also eine nach Art einer Selbstverstärkung arbeitende Vergrößerung der Wirkung des
Eingangsstromes ie und damit eine Vergrößerung des Verstärkungsfaktors.
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Bei dieser Anordnung ist,die'.Rückkoppiung konstant. Die Größe der
Rückkopplung und damit der Verstärkungsfaktor können aus folgendem Grunde nicht
beliebig hoch gewählt werden: Der Widerstand der beiden Wicklungen 3 und 4 behält
immer, auch für den Fall der Stromlosigkeit der Wicklung 7, einen erheblichen Wert,
d. h. es fließt auch in dieser Nullstellung in der Anordnung ein Wechselstrom. Dieser
Nullstrom 10 erzeugt eine Vormagnetisierung und setzt dadurch die Anfangspermeabilität
und damit den Anfangswiderstand .der Wicklungen 3 und 4 herab. Das bedeutet ein
unerwünschtes Anwachsen des Nullstromes mit der Windungszahl der Wicklung io gegenüber
einer Anordnung ohne Rückkopplung und gleichzeitig eine Einschränkung des gussteuerbaren
Widerstandsbereiches der Wicklungen 3 und 4, da der kleinste Widerstandswert, den
diese Wicklungen annehmen können, .der Wert ist, bei welchem ,die beiden Kerne i
und 2 vollständig gesättigt sind. Diese beiden Momente bedingen eine Grenze für
die Wahl der Größe der konstanten Rückkopplung.
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Diese Grenze ist erfindungsgemäß dadurch erweitert, daß im Rückkopplungskreis
Mittel zur vorzugsweise selbsttätigen Regelung der Rückkopplung im Sinne der Beeinflussung
des Verstärkungsfaktors vorgesehen sind.
Die näheren Einzelheiten
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele.
Es zeigen Fig. i und 2 Prinzipbilder der beschriebenen, bekannten Anordnung, Fig.3
ein Beispiel der neuen Anordnung mit Regelung der wirksamen Windungszahl der Rückkopplungswicklung,
Fig. 4 und 5 weitere Ausführungsbeispiele unter Verwendung von regelbaren Widerständen,
Fig.6 ein Ausführungsbeispiel mit zwei als regelnde Organe dienenden Impulsgebern.
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In Fig. 3, in welcher die in Fig. 2 vorhandenen Teile schematisch
wiedergegeben sind, !bedeuten i und 2 wiederum die beiden Kerne, 3 und 4 die von
dem Wechselstrom J durchflossenen Wicklungen, 5 den Verbraucher, 6 die Wechselstromquelle,
7 die von dem Eingangsstrom i, durchflossene Wicklung und 8 den den Eingangsstrom
liefernden Impulsgeber. Die Rückkopplungswicklung io ist einerseits unmittelbar
und andererseits über einen Schleifkontakt i i mit der Gleichrichteranordnung 9
verbunden. Der Schleifkontakt wird durch ein Gerät 12 betätigt, .das in diesem Ausführungsbeispiel
nach Art eines Meßwerkes arbeitet und von dem Stromie durchflossen ist. Der Schleifkontakt
bewirkt, daß je nach seiner Stellung mehr oder weniger Windungen der Rückkopplungsspule
io von dem gleichgerichteten Wechselstrom durchflossen sind und damit die Rückkopplung
mehr oder weniger groß ist. Die Anordnung ist dabei .so getroffen, daß für einen
Eingangsstrom i,=0 keine oder nur wenig Windungen der Wicklung io eingeschaltet
sind, daß mit dem Ansteigen des Stromes i, die Zahl der eingeschalteten Windungen
wächst und für den Höchstwert des Eingangsstromesie eine gewünschte Höchstzahl von
Rückkopplungswindungen in dem Rückkopplungskreis liegen.
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Ist derEingangsstrom sehr klein, ist dieWirkung der Rückkopplung sehr
gering. Sie kann verschwindend klein gemacht werden, was bedeutet, daß der Nullstrom
in der Anordnung bis auf einen Ausgangswert vermindert werden kann, wie es sich
für eine Anordnung ohne Rückkopplung ergibt. Dadurch ist gleichzeitig erreicht,
daß bei .der neuen Verstärkeranordnung der aussteuerbare Widerstandsbereich der
Wicklungen 3 und 4 ,seine volle Größe entsprechend einer Anordnung ohne Rückkopplung
beibehält. Dadurch ist es jetzt .möglich, die Rückkopplung für den größten Wert
von i. und damit den Verstärkungsfaktor des Magnetverstärkers in entsprechender
Weise beliebig hoch zu wählen. Praktisch bedeutet das die Vergrößerung des Verstärkerfaktors
um mehrere Zehnerpotenzen.
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Die Fig:4 zeigt ein weiteres Beispiel für die Ausgestaltung des Erfindungsgedankens.
Die Anordnung der Teile i bis 6 und 9 ist .bei diesem AusfÜhrungsbeispiel die gleiche
wie in Fig. 3 und deshalb in Fig. 4 nicht dargestellt. An den Punkten a und b liegt
die Rückkopplungswicklung io mit einer Windungszahl, die so gewählt ist, daß für
den Höchstwert von i, die gewünschte maximale Rückkopplung erreicht ist. Parallel
zu dieser Wicklung liegt ein Widerstand 13, dessen wirksame Größe mit Hilfe des
von dem Gerät 12 betätigten Schleifkontaktes i i in Abhängigkeit von der Intensität
des Eingangsstromes i, regelbar ist. Die Anordnung ist hier beispielsweise so getroffen,
daß für den Höchstwert von i, der Schleifkontakt i i an dem freien Ende des Widerstandes
liegt, der so gewählt ist, daß er in diesem Fall praktisch als Nebenschluß für die
Wicklung io unwirksam ist, während für i.=0 der Schleifkontakt i i an dem
entgegengesetzten Ende des Widerstandes 13 liegt und die Wicklung io dadurch praktisch
kurzgeschlossen und damit die Rückkopplung unwirksam ist.
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In Fig. 5 liegt in Reihe mit der Rückkopplungsspule der Widerstand
14, der in analoger Weise, wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4, durch das
Gerät 12 mit Hilfe des Schleifkontaktes i i geregelt wird, wobei aber hier der Widerstand
14 für i.=0 seinen maximalen Wert und für maximales ie einen gewünschten
Kleinstwert besitzt.
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Der Widerstand 14 kann gleichzeitig dazu dienen, Ungleichmäßigkeiten,
die sich bei der Reihenherstellung ergeben, z. B. infolge der Ungleichmäßigkeiten
des Materials, insbesondere des Kernmaterials, das bei hochpermeablen Stoffen große
Schwankungsbereiche bezüglich der Permeabilität aufweist, in einfachster Weise auszugleichen.
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Weiterhin ist es möglich, durch die Wahl der Größe und Charakteristik
dieses Widerstandes (logarithmisch, quadratisch usw.) die Charakteristik des Verstärkers
(Ausgangsleistung über Eingangs-Leistung) zu beeinflussen und dem jeweiligen Verwendungszweck
weitgehend anzupassen. Dabei ist es selbstverständlich möglich, den Erfindungsgedanken
auch in anderer als in der vorgeschriebenen Weise anzuwenden, beispielsweise so,
daß umgekehrt, wie bei den vorhergehenden Beispielen, die Rückkopplung für kleine
Eingangsströme i" groß, dagegen für große Eingangsströme i" klein gemacht wird.
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Ebenso liegt es im Rahmen des Erfindungsgedankens., die Regelung der
Rückkopplung von Hand .durchzuführen, für sich allein oder im Zusammenhang mit der
selbsttätigen Regelung. Die selbsttätige Regelung kann durch den Eingangsstrom oder
auch durch einen zusätzlichen Strom, allein oder zusammen mit dem Eingangsstrom,
gesteuert werden, der von einem weiteren Impulsgeber albgegeben wird. Ein derartiges
Ausführungsr beispiel zeigt die Fig. 6, in welcher mit 15 ein Doppelgerät ibezeichnet
ist, das einerseits von dem Eingangsstrom i, und andererseits von dem zusätzlichen
Strom, der von einem Impulsgeber 16 geliefert wird, betätigt wird.
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Selbstverständlich können zur Steuerungbeliebige von den Impulsgebern
gelieferte elektrische Größen benutzt werden.