DE963359C

DE963359C - Amplifier arrangement for photoelectric switching and control devices

Info

Publication number: DE963359C
Application number: DEL11329A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Ott-Heinrich Blaum; Dr Phil Nat Walter Hackel
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1952-01-17
Filing date: 1952-01-17
Publication date: 1957-05-09

Description

Es ist bekannt, für lichtelektrische Schalt- und Steuereinrichtungen als lichtempfindliches Organ Photozellen zu verwenden. Sie haben die Eigenschaft, bei Belichtung der aus einem besonderen Metall gebildeten, unter Luftabschluß stehenden Schicht Elektronen abzugeben, die von einer gegenüberstehenden Anode, die an eine positive Spannung zu legen ist, angezogen werden. Infolge des physikalischen Aufbaues dieser Photozellen und ίο der geringen Anzahl Photoelektronen, die ohne Zerstörung der Schicht abgegeben werden können, haben diese Photozellen einen sehr hohen inneren Widerstand und können daher auch bei großen angelegten Gleichspannungen nur sehr kleine Ströme liefern.It is known for photoelectric switching and control devices as a light-sensitive organ To use photocells. They have the property of being exposed to a special Metal formed, air-tight layer to release electrons from an opposing layer Anode, which is to be connected to a positive voltage, are attracted. As a result of the physical structure of these photocells and ίο the small number of photoelectrons without Destruction of the layer can be released, these photocells have a very high internal Resistance and can therefore only produce very small currents even with high DC voltages deliver.

Es ist bekannt, daß zur Verstärkung des abgebbaren Stromes der Photozellen Elektronenvervielfacher entwickelt wurden, die aber auch nur in der Lage sind, selbst bei sehr großen Anodenspannungen Ströme in der Größenordnung bis zu höchstens ao einigen mA abzugeben.It is known that electron multipliers are used to amplify the current that can be emitted by the photocells which, however, are only able to do so, even with very high anode voltages To deliver currents in the order of magnitude up to a maximum of a few mA.

Es sind auch andere lichtelektrisch empfindliche Einrichtungen bekannt, z. B. das Selenphotoelement, das bei Belichtung eine EMK liefert, die aber auch so gering ist, daß nur Feinmeßgeräte oder höchstempfindliche Relais ansprechen. Infolge-There are also other photoelectrically sensitive devices known, e.g. B. the selenium photo element, which delivers an EMF when exposed, but it is so small that only precision measuring instruments or address extremely sensitive relays. As a result-

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dessen sind Schaltgeräte, bei denen ein Selenphotoelement auf ein Relais arbeitet, sehr betriebsempfindlich. its switching devices, in which a selenium photo element works on a relay, are very sensitive to operation.

Eine weitere Möglichkeit, lichtelektrische Vor-S gänge zu schalten oder zu steuern, besteht in der Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes bestimmter Substanzen von der Beleuchtung, z. B. Cadmiumsulfid. Man nennt diese Photowiderstände. Sie ändern bei Belichtung ihren inneren ίο Widerstand in weiten Grenzen, so daß ein aus einer Gleichstromquelle gelieferter Strom bei Belichtung ein Vielfaches des Wertes annimmt, den er ohne Belichtung des Photowiderstandes hat. Mit Rücksicht auf die Kristallstruktur dieser Photowiderstände ist aber auch hier der Belastungsstrom auf sehr kleine Werte — meist nur Bruchteile von 1 mA — begrenzt.Another possibility to switch or control photoelectric processes is the Dependence of the electrical resistance of certain substances on the lighting, e.g. B. Cadmium sulfide. These are called photoresistors. They change their inner life when exposed to light ίο Resistance within wide limits, so that one out of one The current supplied by the direct current source when exposed is a multiple of the value that it assumes without exposure of the photoresistor. With regard to the crystal structure of these photoresistors but here, too, the load current is at very low values - mostly only fractions of 1 mA - limited.

Die bisherige Praxis hat gezeigt, daß es für betriebssicheres und auf längere Zeit einwandfreies Funktionieren von Schalt- und Steuereinrichtungen notwendig ist, in jedem Fall einen Röhrenverstärker zu verwenden, um die für das Schalten kräftiger Relais oder Schütze notwendige Energie zur Verfugung zu haben. Die Röhrenverstärker haben aber gewisse Nachteile: Die Röhren müssen geheizt werden und unter voller Spannung stehen, damit sie stets betriebsbereit sind. Sie unterliegen also einer dauernden Abnutzung auch dann, wenn die Geräte nur ab und zu einmal schalten müssen. Es ist nie ganz sicher, daß die Röhre nicht gerade dann, wenn eine Schaltung besonders wichtig ist, noch funktionsbereit ist und nicht schon hätte ersetzt werden müssen. Außerdem sind Röhren empfindlich bei rauhem Betrieb, so daß oft Hemmungen bestehen, sie zu verwenden.Previous practice has shown that it is reliable and flawless for a long time Functioning of switching and control devices is necessary, in any case a tube amplifier to be used to generate the energy required to switch powerful relays or contactors available. The tube amplifiers have certain disadvantages: The tubes have to heated and under full voltage so that they are always ready for use. You are subject to in other words, permanent wear and tear, even if the devices only have to switch once in a while. It is never quite certain that the tube is not just when a circuit is particularly important, is still functional and should not have been replaced. In addition, tubes are sensitive in rough operation, so that there are often inhibitions to use them.

Es ist nun weiterhin bekannt, die Vormagnetisierung eines magnetischen Verstärkers direkt durch Photoströme zu steuern. Eine Anordnung dieser Art hat aber den Nachteil, daß die kleinen Photoströme einen magnetischen Verstärker benötigen, dessen Steuerwicklung eine sehr hohe Windungszahl hat, um nennenswerte Verstärkungen zu erzielen. Das bedeutet aber für den Verstärker eine große Zeitkonstante.It is now also known to direct the bias of a magnetic amplifier controlled by photocurrents. An arrangement of this type has the disadvantage that the small Photocurrents require a magnetic amplifier, the control winding of which is very high Has number of turns in order to achieve significant reinforcements. But that means for the amplifier a large time constant.

Die Erfindung betrifft nun eine Verstärkeranordnung, die von vornherein eine Rückkopplung bewirkt, so daß ein hoher Verstärkungsgrad nicht mehr auf Kosten des Zeitverhaltens der Anordnung geht. Erfindungsgemäß wird das zu betätigende Steuer- oder Regelorgan mit Gleichstrom über Ventile, vorzugsweise in Graetzschaltung, aus einem Wechselstromnetz über magnetische Verstärker gespeist, dessen S teuer wicklung parallel zum Verbraucher liegt und einen lichtelektrischen Empfänger enthält. Der magnetische Verstärker soll durch eine Drossel — oder eine Kombination von Drosseln — mit besonderer Wicklung dargestellt seih, mittels deren die von den lichtempfindlichen Einrichtungen gelieferten kleinen Ströme die Drossel vormagnetisieren und deren Speisespannung dem Verbraucher entnommen wird. Durch diese Magnetisierung wird der induktive Widerstand der Drossel geändert, und durch die rückkoppelnde Wirkung kann mit einem kleinen Strom ein großer Ausgangsstrom ohne wesentliche Verzugszeit gesteuert werden. Nachstehend sind einige Schaltmöglichkeiten beschrieben:The invention now relates to an amplifier arrangement which from the outset causes a feedback, so that a high degree of gain is no longer at the expense of the time behavior of the arrangement. According to the invention, the control or regulating element to be operated is supplied with direct current Valves, preferably in Graetz circuit, from an alternating current network via magnetic amplifiers fed, whose S expensive winding is parallel to the consumer and a photoelectric Contains recipient. The magnetic amplifier is said to be through a choke - or a combination of chokes - shown with a special winding, by means of which those of the light-sensitive Devices supplied small currents premagnetize the choke and its supply voltage is taken from the consumer. This magnetization creates the inductive resistance the choke changed, and by the feedback effect can be with a small current a large output current can be controlled without significant delay time. Below are a few Switching options described:

Fig. ι zeigt eine Schaltung mit einem Photowiderstand 9. Die im Wechselstromkreis liegenden Drosselspulen 1, 2 werden durch den Photostrom aus dem Photowiderstand 9 magnetisiert. Der Verbraucher, vorzugsweise ein Relais 7, ist durch einen Gleichrichter 8 gespeist, der über die Drosseln 1, 2 am Wechselspannungsnetz 4 liegt. An der Relaiswicklung 7 entsteht eine Gleichspannung. Diese wird gleichzeitig als Speisespannung für den Photowiderstand verwendet. ' Die Anordnung arbeitet dann so, daß ohne Belichtung infolge der hohen Induktivität der Drosseln nur ein sehr kleiner Strom durch den Wechselstromkreis fließt und auch nur eine kleine Spannung am Relais entsteht. Sie reicht aber aus, um bei Belichtung des Photowiderstandes einen Photostrom zum Fließen zu bringen, der sofort die Drossel magnetisiert und damit den Strom durch den Wechselstromkreis wesentlich vergrößert. Damit wird der Spannungsabfall an der Relaiswicklung 7 ebenfalls größer, und der Photowiderstand erhält eine vergrößerte Speisespannung, wodurch sich erneut der Strom im Arbeitskreis ver- go größert.Fig. Ι shows a circuit with a photoresistor 9. The inductors 1, 2 in the alternating current circuit are activated by the photocurrent magnetized from the photoresistor 9. The consumer, preferably a relay 7, is through a Rectifier 8 is fed, which is connected to the AC voltage network 4 via the chokes 1, 2. On the relay winding 7 creates a DC voltage. This is also used as the supply voltage for the Photoresistor used. 'The arrangement then works so that without exposure as a result of the Due to the high inductance of the chokes, only a very small current flows through the AC circuit and only a small voltage is generated on the relay. But it is sufficient to withstand exposure of the photoresistor to cause a photocurrent to flow, which immediately magnetizes the throttle and thus the current through the AC circuit is significantly enlarged. This will reduce the voltage drop across the relay winding 7 is also larger, and the photoresistor receives an increased supply voltage, as a result of which the current in the working group increases again.

Es handelt sich also tatsächlich um eine Rückkopplungsschaltung, die außerdem noch den Vorteil hat, daß die Betriebsspannung für den Photowiderstand nicht aus einer besonderen Stromquelle bezogen werden muß.So it is actually a feedback circuit that also has the advantage has that the operating voltage for the photoresistor does not come from a special power source must be obtained.

In Fig. 2 wird eine Drosselschaltung gezeigt, wobei die Drosseln zwei Wicklungen zur Vormagnetisierung tragen: 3 und 13. Durch die Wicklung 3 wird wie bisher der Photostrom geführt, durch die Wicklung 13 der Arbeitsstrom des Verbraucherkreises, vorzugsweise eines Relais 7 oder Schützes. Die Wicklung 3 besteht vorzugsweise aus relativ vielen Windungen, um mit kleinem Strom eine große Amperewindungszahl zu erreichen. Die Wicklung 13 kann unter Umständen mit einer einzigen Windung auskommen. Durch diese Wicklung 13 wird eine zusätzliche Rückkopplung bewirkt, so daß der dem Verbraucher 7 zugeführte Strom wesentlich verstärkt wird gegenüber dem steuernden Photostrom.In Fig. 2 a choke circuit is shown, the chokes having two windings for premagnetization wear: 3 and 13. As before, the photocurrent is carried through winding 3, through the winding 13 of the working current of the consumer circuit, preferably a relay 7 or Contactor. The winding 3 preferably consists of a relatively large number of turns in order to carry a small current to achieve a large number of ampere-turns. The winding 13 can under certain circumstances with a single Get by winding. This winding 13 brings about additional feedback, see above that the current supplied to the consumer 7 is significantly increased compared to the controlling current Photocurrent.

Fig. 3 zeigt eine Schaltung, deren Drossel-Gleichrichter-Anordnung auch als unvollständige Brückenschaltung bezeichnet wird: magnetischer Verstärker mit Selbstsättigung und Gleichstromausgang. Mit den Drosseln 1,2 im Wechselstromkreis liegen je ein Gleichrichterelement 6 und 16 in Reihe, und es wird dadurch eine verstärkende Wirkung erzielt, daß die Ströme jeder Richtung nur über eine Drossel fließen können, wodurch der Laststrom die Magnetisierung selbst verstärkt.Fig. 3 shows a circuit, the reactor-rectifier arrangement Also known as incomplete bridge circuit: magnetic amplifier with self-saturation and direct current output. With the chokes 1, 2 in the AC circuit, a rectifier element 6 and 16 are in each case Series, and a reinforcing effect is achieved in that the currents of each direction only can flow through a choke, whereby the load current increases the magnetization itself.

Fig. 4 zeigt ein Anordnung, in der verschiedene Möglichkeiten kombiniert sind. Es sind beispielsweise in Reihe mit den Drosseln 1 Gleichrichterelemente 6 und 16 geschaltet. Ferner ist der Gleichrichter 8 aus den Fig. 1 und 2 zur Speisung desFig. 4 shows an arrangement in which various possibilities are combined. There are for example Rectifier elements 6 and 16 connected in series with the chokes 1. Further is the rectifier 8 from FIGS. 1 and 2 for feeding the

Verbrauchers 7 mit den Gleichrichterelementen 6 und 16 im Drosselkreis kombiniert worden. Die gleichstromführende Leitung zum Verbraucher 7 ist als zusätzliche Wicklung 13 über die Drosseln dargestellt. In der Anordnung nach Fig. 4 summieren sich die Rückkopplungswirkungen aller Einrichtungen derart, daß durch einen außerordentlich kleinen Photostrom eine sehr große Spannungs- und Stromänderung am Verbraucher 7 herbeigeführt wird. Durch Pfeile ist die Addition der magnetisierenden Wirkung der Wicklungen 3 und 13 angedeutet.Consumer 7 has been combined with the rectifier elements 6 and 16 in the choke circuit. the DC line to consumer 7 is as an additional winding 13 over the chokes shown. In the arrangement of Figure 4, the feedback effects of all add up Devices in such a way that an extremely small photocurrent creates a very high voltage and a change in current at the consumer 7 is brought about. By arrows is the addition of the magnetizing effect of the windings 3 and 13 indicated.

Für die praktische Ausführung von derartigen Schaltungen kann es notwendig sein, zur Begrenzung des maximalen aus der Anordnung zu entnehmenden Stromes oder der maximalen am Photowiderstand anliegenden Spannung eine Gegenkopplung einzuführen, die dann wirksam wird, wenn der Strom einen bestimmten Größtwert über-For the practical implementation of such circuits it may be necessary to limit the maximum current to be taken from the arrangement or the maximum at the photoresistor to introduce a negative feedback that becomes effective when the current exceeds a certain maximum value.

so schreitet. Es kann jede der angegebenen rückkoppelnden Wirkungen auch als Gegenkopplung geschaltet werden.so strides. Each of the specified feedback effects can also be switched as negative feedback will.

Fig. 5 zeigt als Beispiel, wie die Wicklung 13 der Drosseln im gegenkoppelnden Sinne verwendet wird. Der Photostrom fließt im magnetisierenden Sinne durch die Wicklung 3, die vorzugsweise eine hohe Windungszahl erhält. Durch die Gleichrichterelemente 6 und 16 wird die magnetisierende Wirkung unterstützt. Oberhalb eines gewünschten maximalen Stromes ist die entmagnetisierende Wirkung der Gegenkopplungswicklung 13 so stark, daß eine weitere Erhöhung der Spannung am Verbraucher 7 nicht mehr auftritt.Fig. 5 shows as an example how the winding 13 of the chokes is used in a negative feedback sense will. The photocurrent flows in the magnetizing sense through the winding 3, which is preferably a high number of turns. The rectifier elements 6 and 16 have the magnetizing effect supports. The demagnetizing current is above a desired maximum current Effect of the negative feedback winding 13 so strong that a further increase in the voltage on the consumer 7 no longer occurs.

Claims

Claims.

1. Control or regulating arrangement working with light-electric cells or resistors, characterized in that the control or regulating member to be operated with direct current is fed via valves, preferably in Graetz circuit, from an alternating current network via a magnetic amplifier, whose control winding is parallel to the consumer and a photoelectric receiver contains.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that that the chokes carry a jerk or negative feedback, their direct current is taken from the AC circuit to be amplified via a rectifier.

3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that in series with the DC supply circuit of the switching or control element to be operated an! Additional Winding for feedback or negative feedback is applied to the choke.

4. Arrangement according to claim 1 and / or one of the following, characterized in that that the rectifier to feed the switching or control element to be operated and the DC bias circuit are arranged so that each choke is only half-worlds the same sign of the alternating current to be amplified is flowing through.

Considered publications:
German patent specifications No. 657 127, 709 546.

1 sheet of drawings