DE1083330B

DE1083330B - Magnetic amplifier in self-saturation circuit with low dead time

Info

Publication number: DE1083330B
Application number: DES60686A
Authority: DE
Inventors: Otto Werner
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1958-11-21
Filing date: 1958-11-21
Publication date: 1960-06-15

Description

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.Magnetic amplifier in self-saturation circuit with low dead time The invention relates to magnetic amplifiers in self-saturation circuit, the are characterized by a fast working method, d. H. their dead time, i.e. the Time that passes before there is a change in the initial value as a result of a changed input value, is not greater than a half-wave of the feeding Alternating current. The aim here is to create a magnetic amplifier that has already been proposed in self-saturation circuit to improve the structure of a converter bridge circuit which in two of them are in series between the DC poles of the bridge adjacent branches each one inductor winding in series with one valve each and in each of the other two branches has a valve, with the series connection of the two valves - which in turn with the throttle windings in series and to one AC connection of the bridge are adjacent - an adjustable resistor is connected, which is used to change the control of the magnetic amplifier.

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.The invention is based on the knowledge that such Magnetic amplifier can be significantly improved by the fact that according to the invention in place of said adjustable resistor connected to the working path of a transistor is who on its control path by a direct current source in a certain Duty cycle (ratio of the duration of the switch-on to the duration of the switch-off) is controllable. Such a circuit will be compared to the already proposed Arrangement achieves the technical advantages that firstly simplifies the control is done by only working with electrically controlled limbs at rest, and second, the active power otherwise consumed at the adjustable ohmic resistor in failure comes.

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.With such a basic arrangement, however, the phenomenon show that after switching off or the omission of the feeding AC voltage of the iron core of one inductor winding is negative Retentivity is located. When the AC voltage source is switched on again, it could then this iron core will be transferred to the state of negative saturation, if the alternating voltage half-wave that is effective when switching on leads to another Demagnetization of this iron core would lead. In this case there could be an overload of the transistor occur if the transistor is just during this period would be in the state of permeability of its emitter-collector path.

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.Because of this, it may prove useful in conjunction with the basic invention to use an additional facility by which the transistor protected against such undesirable electrical stresses is. Such protection in this sense can, for. B. can be achieved in that care is taken that the iron core of a throttle is in such a The switch-on process is not in the state of negative remanence by being in Connection with the basic invention in each case when the feeding is omitted AC voltage converted into the state of positive magnetic remanence will.

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.Another approach in this last-mentioned sense exists according to the invention in that means are provided during the first half cycle after reclosing the mains voltage prevent the switching transistor from being in a state in which its emitter-collector path is permeable. This solution can be z. B. bring about that an electrical timing element is provided, which when Switching on the AC voltage takes effect when an enlarged on the transistor Emitter-collector voltage occurs, and that causes in this case the switching transistor is transferred to the blocking state of its emitter-collector path.

Zur- näheren Erläuterung der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen.For a more detailed explanation of the invention on the basis of an exemplary embodiment reference is now made to the drawing.

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.This first shows the working part of a magnetic amplifier arrangement in a self-saturation circuit. This is fed by an AC voltage source at terminals 1 and 2. It consists of the two valves 3 and 4 of a direct current bridge circuit, each of which is in series with one of the two inductor windings 5 and 6, respectively. The rectifier bridge also has the two valves 7 and 8 in the other two branches. The transistor 11, which is assumed to be of the pnp type, is connected with its emitter-collector path to the connection terminals of the two chokes 5 and 6 on the valve side. A further transistor 12 is assigned to this transistor 11. This is connected with its emitter-base path via a series resistor 13 to a DC voltage source 18, 19, the connection of which can be done with a variable test ratio (ratio of the duration of the switching on of the voltage source to the duration of its switching off). A valve 14 in series with a capacitor 15 and the ohmic resistor 16 is also provided in the circuit. These circuit elements form a timing element which is connected on the one hand to the base electrode of the transistor 12 and on the other hand to the collector electrode of the transistor 11. In addition, an auxiliary DC voltage source is provided in the circuit, which is connected to terminals 20 and 21: It serves as a voltage source for feeding the emitter-base path of transistor 11 in a circuit that flows from terminal 20 via the emitter-base The path of the transistor 11 and the resistor 17, which is in series with the emitter-collector path of the transistor 12, runs to the terminal 21. The mode of operation of the circuit is as follows: When the DC voltage source connected to terminals 18 and 19 is switched on in the sense that 18 is positive and 19 is negative, transistor 12 becomes conductive at its emitter-collector path, whereby transistor 11 at its Emitter-collector path is brought into the blocking state. After the control voltage at the terminals 18, 19 or at their polarity reversal has ceased, the transistor 12 is blocked and the transistor 11 is now transferred to the open state at its main-collector path. A control current flows from the connection terminal 20 via the emitter-base path of the transistor 11 and the resistor 17 to the terminal 21. When the transistor 11 is open, the two chokes with the windings 5 and 6 are each magnetized back to their full extent, so that the lowest output voltage occurs at the output terminals 9 and 10 of the arrangement. This reverse magnetization takes place when a positive voltage is applied to terminal 1 compared to terminal 2 in that from terminal 1, which feeds winding 5 in the working shaft via valve 3, a current is simultaneously supplied via valve 3, the emitter-collector- Path of transistor 11, via winding 6 of the other choke and valve 8 to terminal 2 of the alternating voltage. In this case, practically the full AC voltage is applied to the winding 6. In the next half cycle of the AC voltage, the choke 6 is in the positive half cycle. A current then flows from terminal 2, via valve 7, terminals 9 and 10 of the consumer, via winding 6 and valve 4 to terminal 1 of the alternating voltage, which magnetizes the choke again to positive saturation. At the same time, a current flows from terminal 2 via valve 7, inductor winding 5, via the emitter-collector path of transistor 11 and valve 4 to terminal 1 of the alternating voltage. This remagnetizes the choke 5 in accordance with the voltage now applied to it, corresponding to the alternating voltage at the terminals 1, 2.

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.When the transistor 11 is blocked, such a reverse magnetization occurs the throttles prevented. The chokes are therefore in the positive half-wave transferred to the positive state of saturation and remain after the cessation of positive half-wave in the state of positive remanence, provided that the valves ideal lock. Reverse magnetization can occur during the negative half-cycle of the alternating current the throttles do not take place, so that in the then following positive working half-wave the chokes can only absorb a voltage that is the difference between corresponds to the induction of saturation and the induction of positive remanence. if a core material with a larger difference between these two values is used will; it is advisable to use a positive bias so that in In this case, the modulation of the magnetic amplifier has the highest output voltage at terminals 9, 10 is reached.

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.From the description of the mode of operation it can be seen that the control the magnetic amplifier choke in each case in the negative half-wave of the supplying alternating voltage takes place according to the opening state or test ratio of the transistor 11. This means that the output voltage occurring at terminals 9, 10 at the latest half a period after the change in the opening state or test ratio of transistor 11 has reached the final value. But this is an arrangement before, which in the sense of the task mentioned at the beginning has only one dead time, which is equal to or less than a half cycle of the feeding alternating current.

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.If the switching off or the absence of the alternating voltage at terminals 1, 2 takes place at a point in time at which the one choke has been converted into a state of negative induction due to the transistor 11 which is permeable in its emitter-collector path, then remains after switching off the AC line voltage at the iron core of the choke in question has a negative remanence induction. When the AC voltage is switched on again at terminals 1 and 2 at a point in time when the half-wave of the alternating current that is just occurring would affect the iron core of this choke in terms of its demagnetization, the core of this choke is brought into the state of negative saturation, provided that the transistor 11 is open in its emitter-collector path. But as soon as the choke core has reached negative saturation, the choke can no longer absorb any voltage, so that in the remaining period of the Hallnvelle the entire alternating voltage occurs at the emitter-collector path of the transistor 11, regardless of whether this transistor is due to an over its control path flowing control current carries a relatively large collector current. A switching transistor with its normally customary dimensioning is not able to cope with such a stress; Such a necessary dimensioning of the transistor can, however, be circumvented in that such a timing circuit arrangement 15, 16 is used in series with a valve 14. This arrangement has the following effect: If the emitter-collector voltage of the transistor 11 increases above a certain value, the transistor 12 is opened by a control current flowing through its emitter-base path, which continues its path via the valve 14 , the capacitor 15 and the resistor 16 takes. This control current is maintained until the capacitor 15 is charged in accordance with the time constant determined by the series connection of 15 and 16. During this period of time, the transistor 12 is thus open, with the result that the transistor 11 is inevitably blocked because of the low voltage that occurs in the state of permeability of the emitter-collector path of the transistor 12 on this path. After the capacitor 15 is charged, the transistor 12 and thus also the transistor 11 can now be controlled according to the desired modulation state of the magnetic amplifier by applying a corresponding control voltage to the terminals 18, 19.

Claims

PATENT CLAIMS- 1. Magnetic amplifier in self-saturation circuit with low dead time, in which in a converter bridge circuit, which in two of its adjacent branches lying in series between the DC poles of the bridge has a choke winding in series with one valve each and one valve in each of the other two branches , an adjustable resistor is connected to the series connection of the two valves, which in turn are in series with the choke windings and adjacent to an alternating current connection of the bridge, characterized in that instead of the resistor, the working path of a transistor is connected, which on its control path through a direct current source can be controlled with a certain duty cycle (ratio of the duration of the switch-on to the duration of the switch-off).

2. Magnetic amplifier according to claim 1, characterized in that Means are provided which during the first half-wave after switching on the AC voltage source prevent the switching transistor at its emitter-collector-Streckc is in the open state.

3. Magnetic amplifier according to claim 2, characterized in that that with its emitter-collector path of the aforementioned series connection of the valves parallel-connected transistor in turn controlled by a switching transistor is, the basis of which is connected in series with an electrical timing element and one Valve to the collector electrode of the directly controlling the solenoid amplifier Switching transistor is connected.

4. Magnetic amplifier according to claim 1, characterized in that both chokes are transferred to the state of positive magnetic remanence when the AC voltage supply is omitted. Considered publications: Journal "E # lectronic Engineering", May 1954, p. 180 birs 185; Electronics magazine, October 1954, pp. 170 to 173; August 1953, pp. 136 to 140.