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Verstärkerelement unter Ausnutzung der elektrischen Widerstandsänderung
eines vormagnetisierten Körpers Eine Reihe von Metallen bzw. Legierungen besitzt
die Eigenschaft, in einem Magnetfeld ihren ohmschen Widerstand zu ändern (Gauß-Effekt).
Insbesondere ist dieser Effekt bei Wismut bekannt und wird schon seit langer Zeit
z. B. zur Ausmessung von Magnetfeldern herangezogen. Es ist ferner bekannt, den
Effekt auch zur Verstärkung von Wechselströmen heranzuziehen. Das so geschaffene
Verstärkerelement mit magnetisch gesteuerten Widerständen besitzt bekanntlich bei
einfachem Aufbau den hohen Vorzug einer reinen Gleichstromspeisung.
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Die Widerstandsänderung bei einer gegebenen Änderung des magnetischen
Flusses nimmt im allgemeinen mit der Feldstärke zu. Um eine ausnutzbare Verstärkung
zu erhalten, ist man also gezwungen, bei hohen magnetischen Induktionen zu arbeiten,
d. h. eine Vormagnetisierung des Widerstandselementes anzuwenden. Es ist vorgeschlagen
worden, hierzu einen Dauermagneten, oder eine mit Gleichstrom beschickte Erregerwicklung
zu verwenden.
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Trotz des bestechend einfachen Aufbaues eines derartigen Verstärkers
hat er sich in der Praxis bisher nicht durchsetzen können. Dies liegt unter anderem
daran, daß die nötige Vormagnetisierung im Luftspalt ohne schädliche Rückwirkungen
auf den Steuerkreis nur schwer zu erreichen ist. Verwendet
man nämlich
einen Dauermagneten im Eisenkreis, so wird dadurch der magnetische Widerstand des
Eisenkreises so stark erhöht, daß die zu verstärkenden Stromänderungen in der Steuerspule
die magnetische Induktion im Luftspalt, in dem das Widerstandselement angebracht
ist, nur wenig beeinflussen. Verwendet man dagegen eine eigene Vormagnetisierungswicklung,
so stellt diese bei geringem Innenwiderstand der Gleichstromquelle einen wechselstrommäßigen
Kurzschluß der Steuerwicklung dar. Dieser Kurzschluß kann nur dadurch vermieden
werden, daß man in Reihe mit der Vormagnetisierungswicklung einen hohen ohmschen
Widerstand schaltet, der aber einen entsprechend hohen unnützen Stromverbrauch aufweist.
Zudem nimmt die Vormagnetisierungswicklung viel Platz weg, so daß der Wickelraum
nicht vollständig durch die Steuerwicklung ausgefüllt werden kann, wodurch sich
eine weitere Empfindlichkeitsverringerung ergibt.
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Zur Vermeidung der erwähnten Nachteile wird erfindungsgemäß eine Gegentaktanordnung
vorgeschlagen" welche in besonderer Weise derart aufgebaut ist, daß sie eine Vormagnetisierung
ohne Rückwirkung auf die Steuerwicklung gestattet.
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Es ist zwar bereits vorgeschlagen worden, Kompensationsschaltungen
im magnetischen oder elektrischen Kreis von Verstärkern, die mit dem Gauß-Effekt
arbeiten, zur Aufhebung von Nichtlinearitäten oder zur Stromlosmachung von Anzeigeelementen
im Ruhezustand zu benutzen. Jedoch handelt es sich hier um einen rein theoretischen
Vorschlag ohne Angaben über die praktische Verwirklichung desselben. Ferner hat
man bisher nicht erkannt, daß der Hauptnachteil derartiger Verstärker nicht in den
Nichtlinearitäten, sondern in den durch die Vormagnetisierung auftretenden Schwierigkeiten
liegt.
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Weiterhin ist ein Verstärker zur Ausnutzung des Halleffektes bekannt,
bei dem die das steuernde Magnetfeld erzeugende Wicklung derart auf zwei Polschenkel
aufgeteilt ist, daß die von den beiden Teilen der Wicklung erzeugten magnetischen
Flüsse in einem dritten, mittleren Polschenkel einander aufheben, während die in
den Luftspalten zwischen den Polschuhen untergebrachten Halbleiterplättchen im gleichen
Sinne von dem steuernden Magnetfeld durchsetzt werden. Der mittlere Schenkel trägt
eine weitere Wicklung, die von einem konstanten Wechselstrom durchflossen wird und
somit ein Wechselfeld erzeugt, das die beiden Halbleiterplättchen in entgegengesetzter
Richtung durchsetzt und zur Ausschaltung von Hystereseerschein.ungen dient. Die
beiden Halbleiterplättchen sind in Reihe geschaltet, so daß im Abnahmestromkreis
die von dem konstanten Wechselfeld herrührenden Komponenten der Hauspannung einander
aufheben.
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Im Gegensatz dazu liegen erfindungsgemäß bei der Schaltung zur Ausnutzung
des Gauß-Effektes die beiden von Gleichstrom durchflossenen Widerstandselemente
zueinander parallel, und es kommt darauf an, daß das steuernde Feld in dem einen
Element eine Vergrößerung und gleichzeitig im anderen Element eine Verkleinerung
des Widerstandswertes verursacht.
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Das erfindungsgemäße Verstärkerelement kennzeichnet sich dadurch,
daß an den Enden eines zur Vormagnetisierung dienenden Jochs je ein Eisenkern von
solcher Form und Länge quer zum Joch angebracht ist, daß zwischen zwei gegenüberliegenden
Enden der Eisenkerne jeweils ein Luftspalt entsteht und in den beiden Luftspalten
je ein Widerstandselement angeordnet ist, daß ferner die Steuerwicklung in an sich
bekannter Weise auf dem durch die beiden Eisenkerne gebildeten Eisenkreis derartig
beiderseits des Jochs aufgeteilt ist, daß die von ihren beiden Teilwicklungen erzeugten
magnetischen Flüsse im Joch einander aufheben. Die beiden Widerstandselemente werden
zusammen mit der in zwei Hälften aufgeteilten Last parallel von einer gemeinsamen
Gleichspannung gespeist.
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Durch die Erfindung wird es möglich, das zur Vormagnetisierung dienende
Joch beliebig auszubilden, ohne daß hierdurch die Wirkung des Steuerflusses auf
den Eisenkreis beeinflußt wird.
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Weitere Merkmale der Erfindung betreffen die richtige Wahl des Arbeitspunktes
sowie des Lastwiderstandes je nach der gewünschten Verstärkungsart (Spannungsverstärkung
oder Leistungsverstärkung).
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Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
an Hand der Zeichnung. Hierin zeigt Fig. i schematisch ein bekanntes Verstärkerelement
unter Ausnutzung des Gauß-Effektes, Fig. z ein Diagramm zur Ableitung der günstigsten
Arbeitsbedingungen, Fig. 3 ein Ersatzschaltbild des gesteuerten Kreises, Fig. q.
einen Verstärker aus drei an sich bekannten Verstärkerelementen, Fig. 5 eine Möglichkeit
zur Einsparung der Vörmagnetisierungswicklung, Fig. 6 schematisch einen Verstärker
in der erfindungsgemäßen Gegentaktanordnung und Fig.7 ein Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Anordnung in Grund- und Aufriß.
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Fig. i zeigt schematisch ein an sich bekanntes Verstärkerelement unter
Ausnutzung des Gauß-Effektes. Im Luftspalt des nahezu geschlossenen Eisenkerns i
ist das Widerstandselement ?, beispielsweise aus Wismut, untergebracht. Sein ohmscher
Widerstand wird durch die von der Steuerwicklung 3 im Verein mit einer nicht dargestellten
Vormagnetisierungseinrichtung erzeugte Induktion BL beinflußt. Diese hängt
bekanntlich von der Induktion BE im Eisen und außerdem von den geometrischen Verhältnissen,
d. h. von den Querschnitten qL und qF des Luftspaltes und des Eisenkreises, sowie
von der Breite a des Luftspaltes und der Länge d des Eisenweges ab.
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Der allgemeine Verlauf der Widerstandsänderung Abhängigkeit von der
Induktion BL ist in Fig. 2
eines den Gauß-Effekt aufweisenden Metalls in
dargestellt. Der optimale
Arbeitspunkt dieser Kurve ergibt sich wie folgt: Setzt man zwecks einfacherer Darstellung
und BI = x, so kann man die Funktion schreiben: 5, = f (x) .
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Besitzt das geschilderte Element ohne Vormagnetisierung den Widerstand
Ro, dann hat es mit der Induktion x den Widerstand R = Ro (i -f- y).
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Wird nunmehr die Induktion x durch den in der Steuerwicklung fließenden,
zu verstärkenden Strom zusätzlich um den Wert dx vergrößert, so ergibt sich für
die relative, auf den Widerstand R und auf die Änderung um dx bezogene Widerstandsänderung
der Ausdruck:
Diese relative Widerstandsänderung hat offenbar ihr Maximum, wenn die Bedingung
y" (I + y) = y's erfüllt ist. Aus ihr läßt sich daher bei Kenntnis der Funktion
y = f (x) der günstigste Wert x1 von x,
d. h. die günstigste Induktion
BLi im Luftspalt einfach errechnen. Hieraus ergeben sich nach bekannten Grundsätzen
die besten Abmessungen des Luftspaltes und des Eisenkreises.
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Um aus den so gewonnenen Erkenntnissen über die Steuerbarkeit des
Elementes einen Nutzen ziehen zu können, muß das Verhalten eines Lastwiderstandes
r im beschriebenen Kreis allgemein untersucht werden (Fig. 3).
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Bei einer beliebigen Induktion x besitzt das Elernent den Widerstand
R. Demzufolge liegt am Lastwiderstand r die Spannung
und es fließt in diesem Kreis ein Strom
Wird dieser Wert x um den Betrag dx vergrößert" dann erhöht sich der Widerstand
R auf den Wert RV Damit sinkt aber die Spannung am Widerstand r auf die Größe
und demzufolge der Strom auf der Wert
a) Spannungsanpassung: Die durch die Induktionsänderung dx hervorgerufene Spannungsänderung
wird, wenn für kleine Aussteuerungen der Wert (r -f- R) - (r + R1)
näherungsweise gleich (r -I- R) 2
gesetzt werden kann, nach einfacher
Zwischenrechnung dann ein Maximum, wenn ganz allgemein r = Rist. Eine größte, bei
einer beliebigen Induktion x durch eine Induktionsänderung dx am Lastwiderstand
r hervorgerufene Spannungsänderung dU wird somit allgemein erhalten., wenn der Lastwiderstand
r gleich dem Widerstandswert R des Elementes - bei dieser Induktion x - gemacht
wird.
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b) Leistungsanpassung: Die durch die Induktionsänderung dx hervorgerufene
Stromänderung beträgt
womit die am Widerstand r erhaltene Nutzleistung den Wert
annimmt. Wird wieder R - R1 näherungsweise gleich R2 gesetzt, dann ergibt eine einfache
Zwischenrechnung für einen Maximalwert dieser Leistung die Bedingung
Eine größte, bei einer beliebigen Induktion x durch eine Induktionsänderung dx am
Lastwiderstand r erhaltene Nutzleistung N wird somit im allgemeinen
dann erhalten, wenn dieser Lastwiderstand r gleich dem dritten Teil des Widerstandswertes
R des Elementes - bei dieser Induktion x - gemacht wird.
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Ein Verstärker aus Elementen der geschilderten Art ist in Fig. q.
dargestellt. In den Luftspalt des beschriebenen Eisenkreises E wird jeweils ein
Widerstandselement gelegt, wobei seine Dicke praktisch gleich dem Luftspalt 8 und
seine Größe praktisch gleich dem Luftspaltquerschnitt'qL ist.
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Dieser Luftspalt wird mit einer Induktion BL
vorgespannt, vorzugsweise
jedoch mit einer Induktion BLl, welche sieh aus den Kennlinieneigenschaften des
verwendeten Widerstandselementes mit Hilfe der abgeleiteten Beziehung y" - (i -I-
y) = y'2 ermittelt. Beispielsweise kann sie über eine Hilfswicklung h erzeugt werden,
welche zwecks Verhinderung eines wechselstrommäßigen Kurzschlusses der Steuerwicklung
w über einen Trennwiderstand d aus einer Hilfsgleichspannung un gespeist
wird. Induktionsänderungen dBL des magnetischen Kreises in ihrer Wirkung auf die
Hilfswicklung h werden damit von der Spannungsquelle uff getrennt.
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Der Eingangskreis dieses Verstärkerelementes a wird durch die Steuerwicklung
w gebildet, sein Ausgangskreis ist durch das Widerstandselement dargestellt, welches
bei der obigen Induktion einen Widerstand R besitzt.
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Dieser Ausgangskreis des Verstärkerelementes a, welcher von der Gleichspannung
U, gespeist ist, wird durch den Eingangskreis des Verstärkerelementes b und daher
mit dessen Steuerwicklung W
belastet. Sie ist so ausgelegt, daß
ihr Widerstand r nach den beschriebenen Erkenntnissen vorzugsweise gleich dem dritten
Teil des Widerstandes R ist.
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In einem Kaskadenverstärker mit weiteren Verstärkerelementen der geschilderten
Art kann jeweils diese Steuerwicklung W des zweiten, dritten usw. V erstärkergliedes
identisch ausgeführt und . auch der Eisenkreis E und damit die Luftspaltinduktion
eines solchen Gliedes derjenigen des ersten Gliedes gleichgemacht werden. Da eine
solche Steuerwicklung W jeweils im Ausgangsstromkreis I des vorhergehenden
Verstärkerelementes liegt, braucht zufolge dieser Vormagnetisierung I - W
die Hilfswicklung H in Verbindung mit der Hilfsgleichspannung UH nur mehr
für einen kleineren. Teil der Magnetisierung aufzukommen als die Hilfswicklung h
des ersten Verstärkerelementes.
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Bei vorgegebener Kennlinieneigenschaft des Widerstandselementes wird
der Stromverstärkungsfaktor v dann groß, wenn der Eisenkreis E einen kleinen Luftspalt
8, einen kleinen Eisenweg l und eine große reversible Permeabilität besitzt, im
Ausgangskreis des Widerstandselementes R ein großer Strom I fließt und daher die
auf ihm liegende Verlustleistung NO voll ausgenutzt ist und der Steuerkreis des
folgenden Verstärkerelementes bei dem durch die Anpassungsbedingungen vorgegebenen
Widerstand r eine größte Windungszahl W aufweist.
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Der Verstärkungsfaktor v wird ferner auch dann groß, wenn bei vorgegebenem
Eisenkreis E und Widerstandselement R der Wickelquerschnitt O des Spulenkörpers
für die Steuerwicklung groß ist; man wird also trachten, ihn so weit als möglich
auszunutzen. Praktisch wird man daher eine zusätzliche Hilfswicklung H nicht nach
der das Prinzip erklärenden Fig. 4 ausführen, sondern beispielsweise die Steuerwicklung
selbst mit Hilfe eines zusätzlichen Gleichstromes I, zur Erzeugung der gewünschten
Luftspaltinduktion heranziehen.
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Dies kann auf einfache Weise geschehen, indem nach Fig. 5 je eine
Klemme der beiden Gleichspannungsquellen Uo und UH miteinander verbunden und die
andere Klemme an je eine Seite eines T-Gliedes geschaltet wird, dessen Querglied
die Steuerwicklung W enthält. Das Längsglied zur Spannungsquelle U, wird durch das
Widerstandselement R gebildet, das zur Spannungsquelle UH
liegende Längsglied
durch den Trennwiderstand D dargestellt. Um das Widerstandselement so wenig als
möglich zu bedämpfen, wird man im allgemeinen den letzteren trotz eines damit verbundenen
Leistungsverlustes viel größer wählen als R. Nach bekannten Gesichtspunkten werden
die Spannungen U, und UH derart bestimmt, daß der Strom im Widerstandselement
R dem Strom I entspricht, während der Strom in der Steuerwicklung
W die gewünschte Größe I ± I, besitzt. Ein. analoges Verfahren kann man für
den Steuerkreis w des Verstärkerelementes a anwenden., wobei dann an Stelle des
Widerstandes R der Innenwiderstand der nicht gezeichneten Eingangsstromquelle und
an Stelle des Trennwiderstandes D ein Trennwiderstand d tritt. Der
grundsätzliche Nachteil des Leistungsverbrauches solcher Hilfsmittel zur Vormagnetisierung
kann erfindungsgemäß mittels einer Gegentaktanordnung nach Fig. 6 wesentlich. herabgesetzt
oder auch vollständig vermieden werden. Wird an Stelle eines einfach geschlitzten
Eisenkreises gemäß Fig. i ein zweifach geschlitzter Kreis E gemäß Fig. 6 gewählt,
dann kann eine solche Vormagnetisierung über eine magnetische Quelle M quer zum
magnetischen Eisenkreis E des V erstärkerelementes erfolgen. Dieser Eisenkreis enthält
dann zwei Luftspalte von je
womit der gesamte Luftspalt des Kreises wieder 6 beträgt.
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Um in einem solchen. Luftspalt s die gewünschte Induktion zu erzeugen,
muß in ihm die magnetische Quelle M wieder den Fluß 0 aufbringen.
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Werden nunmehr die beiden identischen und gleichsinnig geschalteten
Wicklungshälften des Verstärkerelementes a der gesamten Windungszahl w durch den
Strom di gesteuert, dann entsteht offensichtlich nur im Eisenkreis E ein Fluß ü0,
da ein solcher sich im Joch ill in seiner Wirkung aufhebt. Demzufolge kann die Anwesenheit
der magnetischen Quelle M die Wirkung des Steuerflusses d$ auf den Eisenkreis E
nicht beeinflussen. Ein solches Joch kann daher beliebig ausgeführt und beispielsweise
auch in einem Bogen aus der Ebene des Eisenkreises E herausgeführt sein.
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Der von der Vormagnetisierungsquelle erzeugte Fluß 0 ist in Fig. 6
ausgezogen, der von der Steuerwicklung erzeugte Fluß d0 gestrichelt dargestellt.
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Den so geschaffenen Eisenweg kann man mit der beschriebenen Hilfswicklung
versehen, welche zufolge der geschilderten Rückwirkungsfreiheit auf den Steuerfluß
nunmehr ohne Trennwiderstand d bzw. D direkt an die Hilfsgleichspannung angeschlossen
werden kann; damit wird aber schon eine beträchtliche Erregerenergie gespart. Sie
kann aber auch ganz oder teilweise durch einen Dauermagneten ersetzt werden, wodurch
überhaupt keine Erregerleistung mehr benötigt wird. Die Dimensionierung eines solchen
Kreises erfolgt dann nach bekannten Gesichtspunkten.
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Bei der geschilderten Steuerung des Verstärkerelementes ca überlagert
sich der Steuerfluß d0 dem Magnetisierungsfluß $. Zufolge der beschriebenen Anordnung
nach Fig. 6 wird daher jeweils in einem Luftspalt eine solche Magnetisierung «h-d0)
und gleichzeitig im anderen Luftspalt ($-;-d'0) betragen, das beschriebene Verstärkerelement
daher gegentaktmäßig erregt.
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Nach dem Vorhergehenden ist jeder der beiden Luftspalte des Eisenkreises
E in Fig. 6 halb so groß wie der Luftspalt d in Fig. 4. Bei sonst gleichen Eigenschaften
des Eisenkernes E hat im Vergleich dazu jedes der beiden Widerstandselemente daher
den doppelten Widerstand von R. Wird je einem solchen Widerstandselement die halbe
Verlustleistung Na zugeordnet, dann muß bei der Betriebsspannung Uo auf Grund der
geschildertei.
gnpassungsbedingung jede der beiden gleichsinniggeschalteten
Eingangsspulenhälftendes Verstärkerelementes 2 dann ebenfalls den doppelten Widerstand
von r aufweisen.
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Zufolge der beschriebenen Steuerung fließt im Eingang des Verstärkerelementes
b im Kreis des einen Widerstandselementes ein Strom im Kreis des anderen Widerstandselementes
ein Strom
Da die Spannungsquelle U, an die Mitte dieser beiden Spulenhälften angeschlossen
ist, wird das Verstärkerelement b insgesamt erregt mit
Die durch den Ruhestrom I je eines Widerstandselementes hervorgerufene Vormagnetisierung
entfällt daher bei einer Gegentaktschaltung nach Fig. 6 in ihrer Wirkung auf den
folgenden Eingangskreis, und es bleibt lediglich die Wirkung der gesteuerten Stromänderung
dl übrig.
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Das Verhalten des geschilderten Gegentaktverstärkers ist also mit
demjenigen eines Verstärkerelementes nach Fig. q. identisch und sein Verstärkungsgrad
unter den angegebenen. Voraussetzungen daher gleich groß. Nur in der technischen
Ausführung muß die aus zwei gleichen Spulen halben Wickelquerschnitts bestehende
Wicklung eines solchen Gegentaktverstärkers in ihrer Gesamtheit bei vierfachem Widerstand
von r die doppelte Windungszahl von W aufweisen, eine Forderung, welche aber bei
dem zur Verfügung stehenden gesamten Wickelquerschnitt Q erfüllt ist.
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In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkerelementes
dargestellt. Jeder der beiden Eisenkerne E besitzt bei quadratischem Profil den
Querschnitt qE, die beiden Luftspalte q. und 5 haben einen Querschnitt qL und sind
von den beiden Teilwicklungen 6 und 7 der Steuerwicklung, welche den Wickelraum
fast vollständig ausfüllt, umgeben. Die Vormagnetisierung des so gebildeten Eisenkreises
der mittleren Eisenweglänge i erfolgt mittels eines- Dauermagneten lLI, der aus
der Ebene des Eisenkreises herausragt.
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Eine Anwendung des beschriebenen Verstärkerelementesmit magnetisch
gesteuerten Widerständen ist in keiner Weise auf Kaskadenverstärker allein beschränkt.
Es kann in entsprechenden Schaltungen auch dort mit Erfolg verwendet werden, wo
lediglich eine galvanische Trennung zweier Gleichstromkreise ohne Verstärkerwirkung
benötigt wird, der Verstärkungsgrad also kleiner als i ist.
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Neben der für eine reine Gleichstromsteuerung beschriebenen Arbeitsweise
kann weiterhin ein geschildertes Verstärkerelement auch für eine. Steuerung mit
Wechselströmen herangezogen werden, wobei dann nach bekannten Gesichtspunkten einerseits
die Impedanz der Steuerspule, andererseits die Eiseneigenschaften einen übertragenen
Frequenzbereich bestimmen bzw. dementsprechend gewählt werden müssen.
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Darüber hinaus kann auch die beschriebene Verstärkerwirkung zum Bau
von Oszillatoren herangezogen werden, wobei der Ausgang nach einem oder mehreren
Verstärkerelementen in Kaskadenschaltung auf den Eingang des. ersten Verstärkerelementes
phasenrichtig rückgekoppelt und in bekannter Weise über einen oder mehrere Steuerkreise
ein frequenzbestimmender Kondensator gelegt wird.