DE1053035B - Verfahren zur Verstaerkung elektrischer Groessen, insbesondere zur Nullstromverstaerkung, unter Verwendung saettigbarer Drosseln - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf magnetische Verstärker, insbesondere auf sogenannte magnetische Nullstromverstärker, bei denen einer Eingangsleistung Null auch eine Ausgangsleistung Null entspricht. Um das zu erzielen, werden bei der einen Art der bekannten magnetischen Nullstromverstärker zwei gleiche magnetische Verstärker, die beim Fehlen der Eingangsleistung einen Ausgangsstrom aufweisen, so gegeneinandergeschaltet, daß sich die Ausgangsströme, die vorher gleichgerichtet werden, in bezug auf den Verbraucher aufheben. Beim Auftreten eines Steuergleichstromes wird in einem Verstärker der Ausgangsstrom vergrößert, in dem anderen verkleinert, und der Verbraucher erhält den Differenzstrom. Die Differenzbildung bringt mit sich, daß die Nullpunktsicherheit von der Konstanz der Bauelemente, d. h. der Drossel und der Gleichrichter, abhängt. Ebenso wird die Nullpunktsicherheit beeinträchtigt, wenn die Bauelemente verschieden stark auf Umwelteinflüsse (z.B. Temperatur) reagieren. Insbesondere der Trockengleichrichter ist wegen seiner Inkonstanz und seiner starken Temperaturabhängigkeit der schwache Punkt derartiger magnetischer Verstärker. Die Vermeidung von Gleichrichtern bedeutet also eine stark erhöhte Nullpunktsicherheit, die in der Meß- und Regeltechnik von großer Bedeutung ist.

Ohne einen Gleichrichter kommt eine andere Art von magnetischen Nullstromverstärkern aus, die den Effekt ausnutzen, daß an einer wechselstromgespeisten Drossel unsymmetrische Verzerrungen des Spannungsabfalles und damit geradzahlige Oberwellen auftreten, sobald sie mit einem Gleichstrom (dem Steuer- bzw. Meßstrom) vormagnetisiert wird.

Die Größe der Spannung gerader Oberwellen ist dann ein Maß für die Höhe des Steuerstromes. Da ein solcher Verstärker jedoch nur geringe Leistungsabnahme verträgt, wird die zweite Oberwelle dann meist mit Hilfe eines Röhrenverstärkers verstärkt, um z.B. einen Steuermotor zu betreiben. Sobald jedoch ein Gleichstrom am Ausgang verlangt wird, müssen 4·° diese Oberwellen gleichgerichtet werden, was mit Hilfe eines phasenabhängigen Gleichrichters geschieht. Abgesehen von den Fällen, in denen verhältnismäßig komplizierte mechanische Gleichrichter verwendet werden, ist eine genügende Nullpunktsicherheit dann auch nicht gewährleistet.

Unsymmetrische Verzerrungen an vormagnetisierten Drosseln nutzt eine weitere bekannte Schaltung aus, die ohne Verwendung von Gleichrichtern einen Gleichstromausgang besitzt. Die Grundschaltung ist in Abb. 1 dargestellt und besteht aus einer an eine Wechselspannungsquelle U angeschlossenen Serienschaltung einer sättigbaren Drossel Dr eines nichtlinearen Widerstandes R, dessen Kennlinie sym- Verfahren

zur Verstärkung elektrischer Größen,
insbesondere zur Nullstromverstärkung,
unter Verwendung sättigbarer Drosseln

Anmelder:

Hartmann & Braun Aktiengesellschaft,
Frankfurt/M.-West 13, Gräfstr.97

Dr.-Ing. Stane Osterman, Frankfurt/M.-Heddernheim, ist als Erfinder genannt worden

metrisch ist, und eines Gleichstromverbrauchers /. Eine Gleichstromvoimagnetisierung der Drossel verursacht eine unsymmetrische "Verzerrung des durch die Arbeitswicklung w_a fließenden Wechselstromes. Derselbe fließt aber auch durch den symmetrischen nichtlinearen Widerstand R. Aus der Abb. 2 erkennt man leicht, daß ein unsymmetrischer Wechselstrom i, dessen Form in dem Beispiel rechteckig gewählt wurde, um ein besonders einleuchtendes Ergebnis zu erhalten, an einem nichtlinearen Widerstand mit symmetrischer Kennlinie eine Gleichspannungskomponente U_c erzeugt, die über den geschlossenen Kreis, also auch durch den Verbraucher, einen Gleichstrom zu treiben vermag. Um von dem Gleichstromverbraucher den Wechselstrom fernzuhalten, ist es zweckmäßig, dem Verbraucher einen entsprechenden Kondensator (C in Abb. 1) parallel zu schalten.

Das Fließen der Wechselströme von Grundfrequenz durch den Gleichstromverbraucher kann auch dadurch vermieden werden, daß zwei Kreise nach Abb. 1 zu einer Differenzschaltung nach Abb. 3 zusammengefügt werden, in der der Verbraucher im Differenzzweig liegt. Im Gegensatz zu den Gleichstromkomponenten heben sich im Verbraucher die Grundwellen beider Kreise auf. Die geraden Oberwellen summieren sich im Verbraucher / genauso wie die beiden Gleichströme und können von ihm ebenfalls durch einen Uberbrückungskondensator C ferngehalten werden. Je größer dessen Kapazität ist, um so größer wird auch der Verstärkungsgrad, da Ströme der geraden Oberwellen, die ja für die Bildung der Gleichspannungskomponente verantwortlich sind, dann den geringsten Kreiswiderstand vorfinden. Die erzeugten Gleichströme wirken beim Durchfließen der Arbeitswicklungen magnetisch auf die Kerne, entweder im Sinn··.

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der Vormagnetisierung (innere Mitkopplung) oder entgegengesetzt (innere Gegenkopplung), je nachdem, ob der nichtlineare Widerstand mit steigendem Strom fällt oder steigt. Um also eine innere Mitkopplung zu erzielen, ist es notwendig, nichtlineare Widerstände zu verwenden, deren Werte mit anwachsendem Strom fallen (z.B. Silizium-Carbid-Widerstände).

Dieser Verstärker ist dem Prinzip nach sehr geeignet als Nullstromverstärker, da die Alterung seiner Bauteile auf die Nullpunktsicherheit keinen Einfluß ausübt.

Die Ursachen, daß dieser Nullstromverstärker trotzdem keinen Eingang in die Praxis gefunden hat, dürften folgende sein: Erstens fallen die Kennlinien der hier in Frage kommenden nichtlinearen Widerstände nicht völlig symmetrisch aus. Dies hat zur Folge, daß am Ausgang auch ohne Eingangsstrom bereits eine Gleichspannung auftritt. Zweitens ist die Leistungsverstärkung nur gering (etwa 13fach). Drittens eignet sich die Netzfrequenz nur mäßig zum Betrieb dieses Verstärkers.

Bei der Erfindung wird nun ein neues Prinzip für magnetische Verstärker, insbesondere magnetische Nullstromverstärker, angewendet, das nicht nur die Vorteile der oben beschriebenen bekannten Anordnung aufweist, sondern auch deren Mangel vermeidet.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verstärkung elektrischer Größen, insbesondere zur Nullstromverstärkung unter Verwendung sättigbarer Drosseln, die durch die Eingangsgröße vormagnetisiert werden, und nichtlinearer Widerstände in der Differenz- oder Brückenschaltung mit einem Kondensator in der Diagonale, das erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:

1. Die Betriebsspannung wird so. hoch gewählt, daß beim Eingangssignal Null in jeder Halbwelle die Sättigung der Drossel überschritten wird.

2. Die nichtlinearen Widerstände erhalten eine Trägheit, die so groß ist, daß sie den voneinander unterschiedlichen Widerstandswert, den sie nach erfolgter Sättigung der Drosseln durch das Zusammenwirken des Kondensatorentladestromes und des durch die Betriebsspannung hervorgerufenen Stromes erhalten, in wirksamem Umfang während des letzten Abschnittes der Halbwelle beibehalten.

Die Grundschaltung zur Ausübung des Verfahrens der Erfindung ist eine mit einer Hilfswechselspannung gespeiste Differenz- bzw. Brückenschaltung. In ihren Zweigen ist je eine Arbeitswicklung der sättigbaren Drosseln mit einem nichtlinearen Widerstand gewisser, der Frequenz der Hilfswechselspannung angepaßter Trägheit in Serie geschaltet, während sich im Differenzzweig bzw. einer Diagonale als wesentliches Bauelement ein Kondensator geeigneter Größe befindet. Die Arbeitswicklungen der Drosseln werden so dimensioniert, daß die Drosseln durch die Hilfswechselspannung, deren Größe sich hauptsächlich nach den nichtlinearen Widerständen richtet, während jeder Halbwelle gesättigt werden. Die Kerne der sättigbaren Drosseln bestehen vorzugsweise aus einem Material mit rechteckiger Hysteresisschleife, damit die Sättigung möglichst schlagartig einsetzt. Das Prinzip der Erfindung wird an der Differenzschaltung Abb. 4 erläutert, in der zunächst einfachheitshalber angenommen werden soll, daß die Vormagnetisierung durch Gleichstrom erfolgt. Sie zeigt zwei sättigbare Drosseln Dr_x und Dr₂, deren Arbeitswicklungen W_a in den beiden Zweigen einer Differenzschaltung liegen. In jedem Zweig der Differenzschaltung liegt noch in Reihe mit der Arbeitswicklung W_a der Drossel ein träger Widerstand W₁ bzw. PF₂ mit nichtlinearer Charakteristik. In der Diagonale der Differenzschaltung liegt der Kondensator C. Parallel dazu ist der Verbraucher R_v angeschlossen. In Reihe mit dem Verbraucher ist eine Drossel Dr₃ geschaltet. Die Steuerwicklungen W₈ der beiden sättigbaren Drosseln Dr₁ und Dr₂ sind einander entgegengesetzt in Reihe geschaltet. Durch den Steuerstrom i_s werden beide Drosseln Dr₁ und Dr₂ in entgegengesetztem Sinn vormagnetisiert. Wie sich die Vormagnetisierung auf die Magnetisierungsströme, die von der Arbeitswechselspannung hervorgerufen werden, auswirkt, wird an Hand der Abb. 5 näher erläutert. Diese Abbildung zeigt die — einfachheitshalber idealisierte — Hysteresisschleife, die die Abhängigkeit des Flusses Φ der sättigbaren Drosseln von der gesamten Amperewindungszahl in Arbeitswicklung und Vormagnetisierungswicklung wiedergibt. In einer der beiden Drosseln magnetisiert der Steuerstrom i_s den Kern in der einen Richtung um den Betrag +I₈-W₃ vor, in der anderen Drossel in entgegengesetzter Richtung um denselben Betrag -I₅-W₅. Die Arbeitswicklung wird nun gemäß einem Verfahrensschritt nach der Erfindung so groß gewählt, daß die Drosseln in jeder Halbwelle gesättigt werden. Es ist aus der Abb. 5 zu ersehen, daß z. B. beim Übergang aus der negativen Sättigung — Φ_$ in die positive Sättigung +Φ, in beiden Drosseln verschiedene Amperewindungszahlen I₁+w_a notwendig sind. Die Differenz der Magnetisierungsströme i_t+i₂ fließt in den Kondensator C, der dadurch aufgeladen wird. Während des Aufladevorganges steigt die Spannung im Kondensator C, die

sich zu der Arbeitswechselspannung ■— in dem einen

Zweig der Differenzschaltung addiert und in dem anderen Zweig subtrahiert, so daß die Spannungsabfälle an den sättigbaren Drosseln ungleich werden. Dadurch gelangt eine der beiden Drosseln eher in die positive Sättigung als die andere. Es tritt deshalb eine Differenz in den Sättigungswinkeln, d. h. ein zeitlicher Unterschied des Sättigungseinsatzes beider Drosseln auf.

Während dieser Zeitdifferenz liegt die halbe Hilfs-

spannung — an der Serienschaltung von Kondensator

und dem nichtlinearen Widerstand, welcher zu der zuerst gesättigten Drossel gehört (W₂ in Abb. 4). Der Kondensator wird durch die HilfsSpannung kräftig geladen, was um so schneller erfolgt, je kleiner der vorgeschaltete nichtlineare Widerstand zu dieser Zeit ist. Der Aufladevorgang wird abgebrochen, sobald auch die zweite Drossel gesättigt ist. Von diesem Zeitpunkt ab sind nämlich in beiden Zweigen nur noch die nichtlinearen Widerstände wirksam, d. h., die Schaltung ist hinsichtlich der Hilfsspannung abgeglichen. Der Kondensator entlädt sich nun über die beiden nichtlinearen Widerstände, wobei sich der Entladestrom in dem einen nichtlinearen Widerstand zum von der Betriebsspannung hervorgerufenen Speisestrom addiert, im anderen subtrahiert. Die Zeitkonstante des Entladevorganges soll dabei so groß sein, daß die nichtlinearen Widerstände — trotz ihrer Trägheit — entsprechend der Summe bzw. der Differenz der Ströme verschiedene Werte annehmen und somit eine Verstimmung der Differenzschaltung hervorrufen. Diese Verstimmung hält in der Diagonale, auch wenn der Kondensatorstrom größtenteils abgeklungen ist, zusammen mit dem Speisestrom eine Spannungsdifferenz aufrecht, die entsprechend der Trägheit der nichtlinearen Widerstände langsam ab-

klingt, so daß innerhalb einer Halbwelle eine Gleichspannungskomponente in der Diagonale entsteht. In der nächsten Halbwelle läuft der gleiche Vorgang ab, wobei die Spannungsdifferenz in der Diagonale ihr Vorzeichen behält. Somit tritt die erwähnte Gleichspannungskömponente in der Ausgangsspannung U_a dauernd auf. Sie ist um so größer, je langer die Verstimmung der Differenzschaltung dauert, also je größer die Trägheit der nichtlinearen Widerstände ist. Allerdings ist ihr nach oben dadurch eine Grenze gesetzt, daß die beschriebene Verstimmung der Schaltung bis zu der in der folgenden Halbwelle stattfindenden Sättigung weitgehend abgeklungen sein muß.

Einen ausschlaggebenden Einfluß auf die Ausgangsspannung hat die Kapazität des Kondensators. Sie bestimmt nämlich zusammen mit der Höhe der \formagnetisierung die Größe der S ättigungs winkel differenz und damit die Kondensatoriadezeit. Die Ladezeit ist um so größer, je kleiner die Kapazität ist. Andererseits ist aber die während der Ladezeit aufgespeicherte Energie (und durch sie die Verstimmung der Schaltung) um so größer, je höher der Kapazitätswert ist. Diese beiden gegensätzlichen Forderungen C-^-O und C-^oo haben zur Folge, daß es für einen gegebenen Verstärker nach der Erfindung einen endlichen optimalen C-Wert gibt, bei dem die Verstärkung am größten ist.

Die Höhe dieses Wertes C_opt ist dabei von der Trägheit der nichtlinearen Widerstände abhängig, da die Kondensatorenladung nicht vor dem Auftreten einer merklichen Widerstandsdifferenz in den nichtlinearen Widerständen abgeklungen sein darf. Die Zeitkonstante des elektrischen Entladevorganges muß daher wenigstens die Größenordnung der Zeitkonstante der nichtlinearen Widerstände erreichen.

Die Verwendung der Kapazität C_opt, bei der» sich für die Verstärkung ein Maximum ergibt, hat noch den Vorteil, daß sich eine Änderung der Kapazität (z. B. infolge Alterung) bei diesem Wert auf die Verstärkung am wenigsten auswirkt.

Da die Spannung einer Halbwelle zunächst hauptsächlich von den Drosseln, und dann — bei fehlender Vormagnetisierung ■—· nach gleichzeitiger Sättigung von den nichtlinearen Widerständen übernommen wird, hängt es nun von verschiedenen Faktoren ab, in welchem Verhältnis diese Aufteilung der Halbwelle vorgenommen wird. Hat z. B. die Hilfsspannungshalbwelle ein ausgeprägtes Maximum, so ist es im Hinblick auf einen großen Verstärkungsfaktor angebracht, den Zeitpunkt der Sättigung in oder kurz vor dem erwähnten Maximum festzulegen. Jedenfalls fällt die zweckmäßige Aufteilung immer so aus, daß die beiden Spannungszeitflächen der Halbwelle von gleicher Größenordnung sind. . _ " "

Wenn der Verstärker nach der Erfindung als Nullstromverstärker arbeiten soll, werden an die tragen . nichtlinearen Widerstände hinsichtlich ihrer Kennlinien keine Forderungen gestellt, solange die Zweige der Schaltung, die in Serie an der Hilfswechselspannung liegen, vollkommen gleiche Bauelemente (Drossel und nichtlineare Widerstände) aufweisen. Diese Bedingung ist jedoch schwer zu erfüllen und läuft außerdem, da die Gleichheit der Bauelemente auf die Dauer im allgemeinen verlorengeht, der Absicht zuwider, die Nullpunktsicherheit unabhängig von Alterung und Umwelteinflüssen zu machen. Sind jedoch die Kennlinien der nichtlinearen Bauelemente symmetrisch, soi kann man innerhalb gewisser Grenzen Differenzen unter den nichtlinearen Bauelementen zulassen. Bei Fehlen der Vormagnetisierung ist dann die Diagonale zwar nicht vollkommen spannungslos, doch es entsteht wenigstens keine Gleichspannungskomponente.

Da nun die Drosseln bereits symmetrisch sind, ist also lediglich noch dafür zu sorgen, daß auch bei den tragen nichtlinearen Widerständen Symmetrie vorliegt, und zwar am besten von Natur aus, denn dann bleibt auch bei Alterung diese Symmetrie erhalten.

ίο Solche Widerstände sind z. B. auf thermischem Prinzip beruhende nichtlineare Widerstände, deren Wert sich infolge der vom Betriebsstrom entwickelten Jouleschen Wärme stark ändert. Diese Wärmeentwicklung und damit die Widerstandsänderungen sind unabhängig von der Polarität des Stromes, wodurch solche Widerstände von Natur aus eine symmetrische Kennlinie aufweisen.

In den meisten Fällen, insbesondere wenn eine weitere Magnetverstärkerstufe nachgeschaltet wird, nimmt der Verbraucher, der parallel zu dem Kondensator C liegt, eine Leistung auf. Der Parallelschluß eines Verbraucherwiderstandes zu dem Kondensator stört aber dessen Funktion, wodurch die Ausgangsspannung stark vermindert wird. Um das zu vermeiden, wird erfindungsgemäß dem Verbraucher (R_v in Abb. 4) ein Sperrglied geeigneter Größe vorgeschaltet, daß die geraden Oberwellen von ihm fernzuhalten hat, z. B. eine Drossel Dr_s, die im Falle eines Gleichstrom Verbrauchers nur Gleichstrom fließen läßt.

Der Verbraucherstrom schließt sich über die Zweige der Differenz- (oder Brücken-) Schaltung. Seine Teilströme fließen damit durch die Arbeitswicklungen der sättigbaren Drosseln und erzeugen eine weitere Vormagnetisierung, die die Vormagnetisierung des Eingangsstromes entweder unterstützt oder ihr entgegenwirkt. Es entsteht eine Mit- oder Gegenkopplung, entsprechend dem Kennlinienverlauf der nichtlinearen Widerstände. Die hier besonders interessierende Mitkopplung tritt auf, wenn die Widerstandswerte mit steigender Spannung zunehmen. Für temperaturabhängige Widerstände trifft das zu bei Kaltleitern (Widerstände aus reinen Metallen, z. B. W, Pt, Fe, Ni usw.), die einen großen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen. Sie werden praktisch dadurch

+5 realisiert, daß man sehr dünne Metallfäden zwischen zwei Elektroden spannt und diese Anordnung in ein mit neutralem Gas gefülltes Gefäß einschließt. Die erforderliche thermische Trägheit kann durch geeignete Dimensionierung des Metallfadens sowie durch Art und Druck des Füllgases weitgehend erreicht werden. Die Größe des die Rückkopplung bewirkenden Verbraucherstromes wird vom Verbraucherwiderstand R_v mitbestimmt. Je kleiner dieser Widerstand ist, um so größer ist im Falle der Mitkopplung die Spannungs- und Leistungsverstärkung. Unterhalb eines bestimmten Verbraucherwiderstandswertes, der wiederum von der Größe der Kapazität C abhängt, tritt dabei Selbsterregung auf.
Die experimentell ermittelten Kurven in Abb. 6 veranschaulichen die Abhängigkeit der Leistungsverstärkung von dem angeschlossenen Verbraucherwiderstand R_v bei verschiedenen Kapazitätswerten C. Die Kurve mit dem Parameter C_opt (Kapazität, bei welcher die höchste-Ausgangsspannung auftritt, wenn kein Leistungsverbraucher angeschlossen wird) ist die Grenzkurve; alle anderen Kurven verlaufen zwischen dieser und den beiden Koordinatenachsen. Aus ' Abb. 6 ist ersichtlich, daß bei den Verbrauchern mit Widerstandswerten bis zu R_vo die höchste Verstärkung erreicht wird, wenn man einen entsprechenden

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Kondensator C wählt. Diese Anpassung des Verstär- Steuerkreis, was eine bekannte Maßnahme darstellt, kers an den Verbraucher hat jedoch den schon er- können die Ausgleichs Wechselströme weitgehend unterwähnten Nachteil zur Folge, daß sich die Verstärkung drückt werden. Je größer die Induktivität der Drossel bei eventueller Änderung des Kondensators ebenfalls ist, um so weniger sinkt die Verstärkung ab; allerändert, so daß unter Umständen sogar Selbsterregung 5 dings wird auch die Zeitkonstante des Verstärkers auftreten kann. vergrößert.

Liegt der Verbraucherwiderstandswert nicht allzu Mit Hilfe der Sperrdrossel kann nur eine Begrenweit unterhalb des Wertes R_vo, so iist es zweckmäßig, zung der Wechselströme im Steuerkreis erreicht werden Verbraucherwiderstand durch einen Vorwider- den, nicht jedoch eine völlige Unterdrückung derstand so weit zu vergrößern, daß C_opi verwendet wer- io selben. Um diese zu erreichen, werden erfindungis-gemäß den kann. Ist der Verbraucherwiderstand jedoch von zwei Punkten der Schaltung, zwischen denen die größer als R_vo, so ist gemäß dem Diagramm Abb. 6 Frequenz der Hilfsspannung grundsätzlich nicht erzweckmäßig stets die Kapazität C_ovt anzuwenden. Der scheint, die auftretenden geraden Oberwellen mit Verstärkungsfaktor kann in diesen Fällen durch Par- Hilfe eines Transformators SO' in den Eingangskreis allelschalten eines geeigneten Ohmschen Widerstandes 15 transformiert, daß sie den im stationären Zustand in zum Verbraucher auf höheren und sogar den höchsten den Steuerwicklungen induzierten geraden Ober-Wert gebracht werden. Dabei geht zwar ein Teil der Wellenspannungen entgegenwirken und sie teilweise Ausgangsleistung im Parallelwiderstand verloren, je- oder ganz kompensieren. Somit kann auch bei niederdoah erhält der Verbrauidher dann immer noch mehr ohmig geschlossenem Eingangskreis kein Ausgleichs-Leistung als ohne diese Maßnahme. Die optimale Aus- 20 wechselstrom fließen. Eine Sperrdrossel im Eingangsnutzung wird erreicht, wenn der Verbraucherwider- kreis ist jetzt selbstverständlich überflüssig,
stand dem Verstärker derart angepaßt ist, daß er Die praktische Anwendung dieses Transformators jenen Wert oberhalb von R_vo erhält, welcher ·— nach soll an Hand der Abb. 8 erläutert werden. Diese Abdem Diagramm ·—· für- die Kapazität C_opt der er- bildung zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel einer strebten Verstärkung entspricht. 25 für das Verfahren nach der Erfindung geeigneten

Man kann aber auch umgekehrt verfahren, indem Schaltung eine Brückenschaltung. Diese Schaltung ist

man durch geeignete Bemessung der Verstärkerbau- für die Anordnung des zusätzlichen Transformators

elemente den Verstärkerausgang an einen gegebenen besser geeignet als die Differenzschaltung nach Abb. 4.

Verbraucherwiderstand anpaßt. Die einzelnen Bauteile der Anordnung nach Abb. 8

Dasselbe kann man auch dadurch erreichen, daß 30 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen wie die

man zusätzlich eine äußere Rückkopplung über beson- ihnen entsprechenden Bauteile der Anordnung nach

dere Wicklungen an den sättigbaren Drosseln vorsieht Abb. 4.

und der inneren Rückkopplung überlagert. Ein zu Die in gegenüberliegenden Brückenzweigen einge-

großer Verbraucherwiderstand hat nach dem oben Ge- schalteten Arbeitswicklungen der sättigbaren Drosseln

sagten eine geringe innere Mitkopplung zur Folge. 35 können — wie hier —- einen gemeinsamen Kern be-

Diese kann nun zur Erzielung eines gewünschten Ver- sitzen, so daß bei dieser Brückenschaltung insgesamt

Stärkungsgrades durch eine entsprechende äußere nur zwei sättigbare Drosseln Dr₁ und Dr₃ notwendig

Mitkopplung ergänzt werden. Ist dagegen der Be- sind, die mit je einer Steuerwicklung auskommen. Es

lastungswiderstand zu klein, so ist die Folge davon sind jedoch vier nichtlineare Widerstände W₁ bis W₁

eine zu große innere Mitkopplung. Durch die Anord- 40 notwendig.

nung einer äußeren Gagenkopplung kann auch in Die Arbeitsweise einer solchen Brückenschaltung

diesem Fall der Ausgang des Verstärkers an den Be- nach der Erfindung entspricht im wesentlichen der-

lastungswiderstand angepaßt werden. jenigen der Differenzschaltung. Die Brückenschaltung

Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers nach der kann aber im Gegensatz zur Differenzschaltung so geErfindung ist im allgemeinen auch von der Höhe der 45 staltet werden, daß Punkte (z. B. A und B in Abb. 8) Hilfswechselspannung abhängig. Diese Abhängigkeit vorhanden sind, zwischen denen nicht- nur eine Spanwird-durch Abb. 7 veranschaulicht. Um eine mög- nung auftritt, die ausschließlich gerade Oberwellen liehst kleine Spannungsabhängigkeit zu erreichen, enthält, sondern die zugleich die Differenz der in den wird der Wert der Hilfswechselspannung zweckmäßig Arbeitswicklungen induzierten Spannungen ist. Da entsprechend dem Maximum der Kurve nach Abb. 7 50 die Differenz der in den Steuerwicklungen induzierten gewählt. Je flacher das Maximum ist, um so weniger Spanungen U₃₁ und U_S2 jener Differenz der Spannunwird der Verstärkungsfaktor auch bei starken Hilfs- gen an den Arbeitswicklungen und damit auch der Spannungsschwankungen beeinflußt. Spannung zwischen A und B in jedem Augenblick bis

Bei Auftreten einer Vormagnetisierung heben sich , . , _, , ^ws . . . . .
nicht alle in beiden Steuerwicklungen induzierten 55 ^{auf emen} konstanten Faktor - gleich ist, kann man Wechselspannungen auf, sondern es erscheint an den also mittels des Transformators die Spannung zwi-Eingangsklemmen eine Differenzspannung, die —· bei sehen A und B in den Steuerkreis derart transforvollkommener Gleichheit der Bauelemente —· nur ge- mieren, daß sie die dort herrschende Spannungsrade Oberwellen enthält. Den bisherigen Betrach· differenz in jedem. Augenblick aufhebt,
tungen lag die Annahme zugrunde, daß der Eingangs- 60 Ein Teil des Ausgangsgleichstromes i_v schließt sich (Steuer-) Strom eingedrückt wird, d. h. über einen über die Primärwicklung des Transformators und sehr großen Außenwiderstand fließt. In solchen Fällen wirkt auf dessen Kern magnetisch in derselben oder braucht man die in den Steuerwicklungen induzierten in entgegengesetzter. Richtung der ■ Eingangsstrom-Spannungen nicht zu berücksichtigen. In den meisten vormagnetisierung, je nachdem, ob in den Drosseln Anwendungsfällen der magnetischen Verstärker liegt 55 eine Gegen- oder eine Mitkopplung stattfindet (was, aber kein großer Eingangsaußenwiderstand vor, so wie beschrieben, wiederum von dem Kennliniendaß nun Ausgleichsströme geradzahliger Oberwellen verlauf der Widerstände abhängt). Im wichtigeren fließen und die Verstärkung stark herabsetzen. Durch Fall der Mitkopplung kann durch die Abgleichwiderdas zusätzliche Einschalten eines geeigneten Sperr- stände r, erreicht werden, daß sich auch die magnegliedes, beispielsweise einer Sperrdrossel, in den 7° tischen Wirkungen der beiden Gleichströme im Trans-

Claims (5)

formator gegenseitig aufheben, so daß im stationären Zustand keine Vormagnetisierung des Transformators stattfindet. Da sich nach dem Anlegen einer Steuergleichspannung bei Verwendung einer Sperrdrossel in dieser ein dauerndes Feld aufbaut, während bei Anwendung eines Transformators nur ein Teil jenes Feldes vorübergehend aufzubauen ist, ergibt sich im zweiten Fall eine stets kleinere Einstellzeit des Ausgangs-Stromes. Wie die Versuche zeigen, kann durch Variation des Ibgleichwiderstandes T1 auch das Verhältnis der Einichaltzur Ausschalteinstellzeit beeinflußt werden. Aus Symmetriegründen kann man in der Brückenschaltung nach der Erfindung beide vorhandenen, gleichwertigen Punktpaare A, B und Ä, B' zur Kompensation ausnutzen, wodurch der Transformator zwei Primärwicklungen erhält. Die Brückenschaltung nach Abb. 8 weist noch zwei weitere Punkte H und K auf, zwischen denen nur geradzahlige Oberwellenspannungen auftreten. Somit kann die Primärwicklung des Transformators an Stelle der Sperrdrossel in Serie zum Verbraucher gelegt werden. Allerdings hat die Spannung zwischen H und K einen teilweise anderen Verlauf als die zu kompensierende Drosselspannungsdifferenz, so daß sich die Oberwellenspannungen im Steuerkreis jetzt nicht in jedem Augenblick aufheben. Der Ausgangsgleichstrom, der bei Benutzung der Punkte H und K in voller Höhe über die Primärwicklung des Transformators fließt, wirkt bei Mitkopplung magnetisch in derselben Richtung wie der im Sekundärkreis fließende Eingangsgleichstrom, so daß eine große Einstellzeit des Ausgangsstromes resultiert. Es ist jedoch, wenn diese nicht stört, auch möglich, die. einfachere Differenzschaltung nach Abb. 9 zu verwenden, die grundsätzlich mit Ausnahme des Transformators Tr der Anordnung nach Abb. 4 entspricht. Auch in dieser Abbildung sind gleiche Bauteile und Symbole mit entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Wirkungsweise entspricht der Anordnung nach Abb. 4 und 8. Zur Erläuterung des Prinzips nach der Erfindung wurde bislang als Eingangsstrom Gleichstrom vorausgesetzt. Ändert sich der Gleichstrom relativ langsam zu der Dauer einer Periode der Hilfsspannung, so kann man ihn während einer Periode als konstant betrachten. Alks bis jetzt Gesagte gilt atso· auch für relativ langsam veränderliche Eingangsströme, somit auch für periodisch veränderliche Ströme, deren Frequenz wesentlich kleiner ist als die der Hilfsspannung. Die Grundfrequenz der Ausgangsspannung ist dann gleich der des Eingangswechselstromes. Da der Ausgangsstrom stets die Frequenz des Eingangsstromes enthält und auch die praktische Ausführung des Verstärkers nach der Erfindung sehr einfach und wenig aufwendig ist, eignet sich die beschriebene Anordnung sehr gut zu mehrstufigem Aufbau, wodurch bekanntlich möglich ist, größere Verstarkungisgrade mit relativ kleinen Zeiitkonstanten zu erreichen. Ein Gleichstrom am Ausgang wird erzeugt nicht nur beim Beschicken des Einganges mit Gleichstrom, sondern auch wenn der Eingangsstrom gerade Oberwellen der Hilfsspannungsfrequenz enthält. Die Erklärung geht aus Abb. 10 hervor. Es wird angenommen, daß bei is = 0 während einer Viertelperiode (I bis II) die Spannung hauptsächlich an den Drosseln und während der zweiten Viertelperiöde an den Ohmsehen Widerständen liegt. Beim Auftreten eines Gleichstromes in den Eingangswicklungen der Drossel wird, wie beschrieben, am Kondensator eine Gleichspannung erzeugt. Der Gleichstrom 4 wirkt nur so lange auf die Drosseln, wie diese ungesättigt sind. In der Zeit der Sättigung kann er seinen Wert und sogar die Richtung ändern, ohne daß am Ausgang eine Veränderung festzustellen wäre; d. h. aber, die Gleichspannungskomponente am Ausgang bleibt bestehen. Wird nun während der Sättigung (also zwischen II und III, IV und V usw.) nur die Richtung des konstanten Eingangsgleichstromes is geändert, so hat man damit einen mäanderfÖrmigen Steuer-Wechselstrom (Abb. 10c), dessen Grundfrequenz die zweite. Oberwelle der Hilfsspannung ist. Ändert sich die in Abb. 10a, 10c gezeichnete Phasenlage des Eingangswechselstromes zur Hilfswechselspannung, so verringert sich die Ausgangsgleichspannung bis zum Wert Null (bei Verschiebung von is um 90° gegenüber seiner ursprünglichen 'Lage) und erreicht nach 180° Phasenverschiebung den anfänglichen, jedoch jetzt negativen Maximalwert." Es ist leicht einzusehen, daß die Mäanderform des Steuerstromes" keine prinzipielle Voraussetzung· für diesen phasenabhängigen Gleichrichtereffekt der Schaltung nach der Erfindung ist, sondern es kann eine beliebige Form, z. B Sinusform, sein. Wesentlich ist lediglich, daß der Eingangswechselstrom gerade Harmonische des Hilfswechselstromes enthält. Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verstärkung elektrischer Größen, insbesondere zur Nullstromverstärkung, unter Verwendung sättigbarer Drosseln, die durch die Eingangsgröße vormagnetisiert werden, und nichtlinearer Widerstände in Differenz- oder Brückenschaltung mit einem Kondensator in der Diagonale, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Die Betriebsspannung wird so hoch gewählt, daß beim Eingangssignal Null in jeder Halbwelle die Sättigung der Drossel überschritten wird.

b) Die nichtlinearen Widerstände erhalten eine Trägheit, die so groß ist, daß sie den voneinander unterschiedlichen Widerstandswert, den sie nach erfolgter Sättigung der Drosseln durch das Zusammenwirken des Kondensatorentladestromes und des durch die Betriebs-, spannung hervorgerufenen Stromes erhalten, in wirksamem Umfange während des letzten Abschnittes der Halbwelle beibehalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt der Sättigung der Drossel in die Umgebung jenes Zeitpunktes gelegt wird, in dem eine Halbwelle des Betriebsstromes ihren Maximalwert aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß träge nichtlineare Widerstände mit einander gleichen Kennlinien und untereinander gleichen Drosseln verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß träge nichtlineare Widerstände mit symmetrischer Charakteristik Verwendung finden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und den folgenden, gekennzeichnet durch die Verwendung von auf thermischem Prinzip beruhenden trägen nichtlinearen Widerständen.

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