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Magnetverstärker in Selbstsättigungsschaltung mit geringer Totzeit
Die Erfindung bezieht sich- auf Magnetverstärker in Selbstsättigungsschaltung, die
sich durch eine schnelle Arbeitsweise auszeichnen, d. h. deren Totzeit, also die
Zeit, die vergeht, bis sich eine Veränderung des Ausgangswertes als Folge eines
veränderten Eingangswertes ergibt, nicht größer ist als eine Halbwelle des speisenden
Wechselstromes. Sie hat hierbei zum Ziel, einen bereits vorgeschlagenen Magnetverstärker
in Selbs.tsättigungsschaltung zu verbessern, welcher den Aufbau einer Stromrichterbrückenschaltung
hat, welche in zwei ihrer zwischen den Gleichstrompolen der Brücke in Reihe liegenden
benachbarten Zweigen je eine Drosselwicklung in Reihe mit je einem Ventil und in
den beiden anderen Zweigen je ein Ventil aufweist, wobei an die Reihenschaltung
der beiden Ventile - die ihrerseits mit den Drosselwicklungen in Reihe und zu einem
Wechselstromanschluß der Brücke benachbart liegen - ein einstellbarer Widerstand
angeschlossen ist, der zur Veränderung der Steuerung des Magnetverstärkers dient.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich ein solcher
Magnetverstärker dadurch wesentlich verbessern läßt, daß erfindungsgemäß an Stelle
des genannten einstellbaren Widerstandes die Arbeitsstrecke eines Transistors angeschlossen
ist, der an seiner Steuerstrecke durch eine Gleichstromquelle in einem bestimmten
Tastverhältnis (Verhältnis der Zeitdauer der Einschaltung zur Zeitdauer der Ausschaltung)
steuerbar ist. Durch eine solche Schaltung werden gegenüber der bereits vorgeschlagenen
Anordnung die technischen Vorzüge erreicht, daß erstens die Steuerung vereinfacht
wird, indem nur mit ruhenden elektrisch gesteuerten Gliedern gearbeitetwird, und
zweitens die sonst an dem einstellbaren ohmschen Widerstand verbrauchte Wirkleistung
in Fortfall kommt.
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Bei einer solchen grundsätzlichen Anordnung kann sich allerdings noch
die Erscheinung ergeben, daß nach dem Abschalten bzw. dem Wegfall der speisenden
Wechselspannung der Eisenkern der einen Drosselwicklung sich im Zustand einer negativen
Remanenz befindet. Bei der erneuten Einschaltung der Wechselspannungsquelle könnte
dann dieser Eisenkern in den Zustand der negativen Sättigung übergeführt werden,
wenn die bei der Einschaltung wirksame Wechselspännungshalbwelle zu einer weiteren
Abmagnetisierung dieses Eisenkernes führen würde. In diesem Falle könnte eine Überlastung
des Transistors auftreten, wenn der Transistor sich gerade während dieses Zeitraumes
im Zustand der Durchlässigkeit seiner Emitter-Kollektor-Strecke befinden würde.
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Aus diesem Grunde kann es sich als zweckmäßig erweisen, in Verbindung
mit der grundsätzlichen Erfindung eine zusätzliche Einrichtung zu benutzen, durch
welche der Transistor gegen solche unerwünschte elektrische Beanspruchungen geschützt
ist. Ein solcher Schutz in diesem Sinne kann z. B. dadurch erreicht werden, daß
dafür Sorge getragen wird, daß der Eisenkern einer Drossel sich bei einem solchen
Einschaltvorgang nicht im Zustand einer negativen Remanenz befindet, indem er in
Verbindung mit der grundsätzlichen Erfindung jeweils beim Wegfall der speisenden
Wechselspannung in den Zustand einer positiven magnetischen Remanenz übergeführt
wird.
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Ein weiterer Lösungsweg in diesem letztgenannten Sinne besteht erfindungsgemäß
darin, daß Mittel vorgesehen sind, die während der ersten Halbwelle nach der Wiedereinschaltung
der Netzspannung verhindern, daß der Schalttransistor sich in einem Zustand befindet,
in dem seine Emitter-Kollektor-Strecke durchlässig ist. Diese Lösung läßt sich z.
B. dadurch herbeiführen, daß ein elektrisches Zeitglied vorgesehen wird, das beim
Einschalten der Wechselspannung wirksam wird, wenn an dem Transistor eine vergrößerte
Emitter-Kollektor-Spannung auftritt, und das bewirkt, daß in diesem Falle der Schalttransistor
in den Sperrzustand seiner Emitter-Kollektor-Strecke übergeführt wird.
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Zur- näheren Erläuterung der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels
wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen.
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In dieser ist zunächst der Arbeitsteil einer Magnetverstärkeranordnung
in Selbstsättigungsschaltung gezeigt. Dieser wird an den Klemmen 1 und 2 von einer
Wechselspannungsqu:elle gespeist. Er besteht aus den
beiden Ventilen
3 und 4 einer Gleichstrombrückenschaltung, von denen jedes in Reihe mit je einer
der beiden Drosselwicklungen 5 bzw. 6 liegt. Die Gleichrichterbrücke weist zusätzlich
die beiden Ventile 7 und 8 in den anderen beiden Zweigen auf. An die ventilseitigen
Anschlußklemmen der beiden Drosseln 5 und 6 ist mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke
der als ein solcher der p-n-p-Type angenommene Transistor 11 angeschlossen. Diesem
Transistor 11 ist ein weiterer Transistor 12 zugeordnet. Dieser ist mit seiner Emitter-Basis-Strecke
über einen Reihenwiderstand 13 an eine Gleichspannungsquelle 18, 19 angeschlossen,
deren Anschluß mit einem veränderbaren Testverhältnis (Verhältnis der Zeitdauer
der Einschaltung der Spannungsquelle zur Zeitdauer ihrer Abschaltung) erfolgen kann.
In der Schaltung ist ferner noch ein Ventil 14 in Reihe mit einem Kondensator 15
und dem ohmschen Widerstand 16 vorgesehen. Diese Schaltungselemente bilden ein Zeitglied,
welches einerseits an die Basiselektrode des Transistors 12 und andererseits an
die Kollektorelektrode des Transistors 11 angeschlossen ist. Ferner ist in der Schaltung
noch eine Hilfsgleichspannungsquelle vorgesehen, welche an die Klemmen 20 und 21
angeschlossen ist: Sie dient als Spannungsquelle zur Speisung der Emitter-Basis-Strecke
des Transistors 11 in einem Stromlauf, der von der Klemme 20 über die Emitter-Basis-Strecke
des Transistors 11 und den zur Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 12 in Reihe
liegenden Widerstand 17 zur Klemme 21 verläuft. Die Wirkungsweise der Schaltung
ist die folgende: Beim Einschalten der an den Klemmen 18 und 19 liegenden Gleichspannungsquelle
in dem Sinne, daß 18 positiv und 19 negativ ist, wird der Transistor 12 an seiner
Emitter-Kollektor-Strecke durchlässig, wodurch der Transistor 11 an seiner Emitter-Kollektor-Strecke
in den Sperrzustand gebracht wird. Nach Wegfall der Steuerspannung an den Klemmen
18, 19 bzw. bei, deren Umpolung ist der Transistor 12 gesperrt, und der Transistor
11 wird nunmehr in den an seiner Emltter-Kollektor-Strecke durchlässigen, d. h.
geöffneten Zustand übergeführt. Es fließt von der Anschlußklemme 20 über die Emitter-Basis-Strecke
des Transistors 11 und den Widerstand 17 zur Klemme 21 ein Steuerstrom. Bei geöffnetem
Transistor 11 werden die beiden Drosseln mit den Wicklungen 5 und 6 jeweils in vollem
Umfange rückmagnetisiert, so daß an den Ausgangsklemmen 9 und 10 der Anordnung die
kleinste Ausgangsspannung auftritt. Diese Rückmagnetisierung erfolgt beim Anliegen
einer positiven Spannung an der Klemme 1 gegenüber der Klemme 2 dadurch, daß von
der Klemme 1, die über das Ventil 3 die Wicklung 5 in der Arbeitswelle speist, gleichzeitig
ein Strom über das Ventil 3, die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors
11, über die Wicklung 6 der anderen Drossel und das Ventil 8 zur Klemme 2 der Wechselspannung
fließt. In diesem Falle liegt praktisch die volle Wechselspannung an der Wicklung
6. In der nächsten Halbwelle der Wechselspannung befindet sich die Drossel 6 in
der positiven Halbwelle. Es fließt dann von der Klemme 2, über das Ventil 7, die
Klemmen 9 und 10 des Verbrauchers, über die Wicklung 6 und das Ventil 4 ein Strom
zur Klemme 1 der Wechselspannung, der die Drossel wieder bis zur positiven Sättigung
aufmagnetisiert. Gleichzeitig fließt von der Klemme 2 über das Ventil 7, die Drosselwicklung
5, über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 11 und das Ventil 4 ein Strom
zur Klemme 1 der Wechselspannung. Dieser rückmagnetisiert die Drossel 5 entsprechend
der an ihr nunmehr anliegenden Spannung entsprechend der Wechselspannung an den
Klemmen 1, 2.
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Bei gesperrtem Transistoz 11 wird eine solche Rückmagnietisierung
der Drosseln verhindert. Die Drosseln werden demnach in der positiven Halbwelle
in den positiven Sättigungszustand übergeführt und verbleiben nach Aufhören der
positiven Halbwelle im Zustand der positiven Remanenz, vorausgesetzt, daß die Ventile
ideal sperren. Während der negativen Halbwelle des Wechselstromes kann eine Rückmagnetisierung
der Drosseln nicht stattfinden, so daß in der dann folgenden positiven Arbeitshalbwelle
die Drosseln lediglich eine Spannung aufnehmen können, die dem Unterschied zwischen
der Sättigungsinduktion und der Induktion der positiven Remanenz entspricht. Wenn
ein Kernmaterial mit größerem Unterschied zwischen diesen beiden Werten verwendet
wird; ist es zweckmäßig, eine positive Vormagnetisierung zu verwenden, damit in
diesem Falle der Aussteuerung des Magnetverstärkers die höchste Ausgangsspannung
an den Klemmen 9, 10 erreicht wird.
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Aus der Schilderung der Arbeitsweise ist ersichtlich, daß die Steuerung
der Magnetverstärkerdrossel jeweils in der negativen Halbwelle der speisenden Wechselspannung
erfolgt, und zwar entsprechend dem Öffnungszustand bzw. Testverhältnis des Transistors
11. Das bedeutet, daß die an den Klemmen 9, 10 auftretende Ausgangsspannung spätestens
eine halbe Periode nach der Änderung des Öffnungszustandes bzw. Testverhältnisses
des Transistors 11 den endgültigen Wert erreicht hat. Damit liegt aber eine Anordnung
vor, welche im Sinne der eingangs erwähnten Aufgabestellung nur eine Totzeit aufweist,
die gleich oder kleiner als eine Halbperiode des speisenden Wechselstromes ist.
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Erfolgt die Abschaltung oder das Wegbleiben der Wechselspannung an
den Klemmen 1, 2 zu einem Zeitpunkt, in dem die eine Drossel infolge des in seiner
Emitter-Kollektor-Strecke durchlässigen Transistors 11 in einen Zustand der negativen
Induktion übergeführt worden ist, so verbleibt nach dem Abschalten der Netzwechselspannung
an dem Eisenkern der betreffenden Drossel eine negative Remanenzinduktion. Beim
Wiedereinschalten der Wechselspannung an den Klemmen 1 und 2 zu einem Zeitpunkt,
wo die gerade auftretende Halbwelle des Wechselstromes den Eisenkern dieser Drossel
im Sinne seiner Abmagnetisierung beeinflussen würde, wird der Kern dieser Drossel
in den Zustand der negativen Sättigung gebracht, vorausgesetzt, daß der Transistor
11 in seiner Emitter-Kollektor-Strecke geöffnet ist. Sobald aber der Drosselkern
die negative Sättigung erreicht hat, kann die Drossel keine Spannung mehr aufnehmen,
so daß in dem restlichen Zeitabschnitt der Hallnvelle die ganze Wechselspannung
an der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 11 auftritt, ungeachtet dessen,
ob dieser Transistor infolge eines über seine Steuerstrecke fließenden Steuerstromes
einen verhältnismäßig großen Kollektorstrom führt. Einer solchen Beanspruchung ist
ein Schalttransistor bei seiner normalerweise üblichen Bemessung nicht gewachsen,
sondern er müßte besonders mit Rücksicht auf diese zu erwartenden Beanspruchungen
bemessen werden. Eine solche notwendige Bemessung des Transistors kann jedoch dadurch
umgangen werden, daß eine solche Zeitkreisanordnung 15, 16 in Reihe mit einem Ventil
14 benutzt wird. Diese Anordnung hat folgende Wirkung: Erhöht sich die - Emitter-Kollektor-Spannung
des Transistors 11 über einen bestimmten Wert, so wird
der
Transistor 12 geöffnet, indem über dessen Emitter-Basis-Strecke ein Steuerstrom
fließt, der seinen weiteren Weg über das Ventil 14, den Kondensator 15 und den Widerstand
16 nimmt. Dieser Steuerstrom wird so lange aufrechterhalten, bis der Kondensator
15 entsprechend der durch die Reihenschaltung von 15 und 16 bestimmten Zeitkonstante
geladen ist. Während dieses Zeitraumes ist somit der Transistor 12 geöffnet, was
zur Folge hat, daß der Transistor 11 zwangsläufig gesperrt wird wegen der geringen
Spannung, die in dem Zustand der Durchlässigkeit der Emitter-Kollektor-Strecke des
Transistors 12 an dieser Strecke auftrid. Nachdem der Kondensator 15 geladen ist,
kann durch Anlegen einer entsprechenden Steuerspannung an die Klemmen 18, 19 nunmehr
der Transistor 12 und damit auch der Transistor 11 entsprechend dem gewünschten
Aussteuerungszustand des Magnetverstärkers gesteuert werden.