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Magnetischer Verstärker Magnetische Verstärker werden häufig als Ventildrosseln
mit Sättigungswinkelsteuerung betrieben. Dabei sind jeweils ein Ventil und eine
vormagnetisierbare Drossel in Reihe geschaltet, so daB über die Drossel ein Halbwellenstrom
nur in einer Richtung fließt. Durch die Vormagnetisierung wird ein beliebiger Teil
der Spannungshalbwelle festgelegt, den die Drossel in jedem Arbeitsakt aufnehmen
muß, bevor sie in Sättigung und damit aus dem sperrenden, in den leitenden Zustand
gerät und den Strom über den Arbeitswiderstand fließen läßt. Zur Ausnutzung der
Halbwellen beider Richtungen werden gewöhnlich in jedem Strang zwei Ventildrosseln
antiparallel geschaltet. Zwei besonders wichtige Schaltungen sind die Doublerschaltung
und die Brückenschaltung. Bei der Doublerschaltung wird der Arbeitswiderstand mit
Wechselstrom, bei der Brückenschaltung mit pulsierendem Gleichstrom gespeist. Von
diesen beiden Grundformen wird eine große Mannigfaltigkeit von Schaltungen abgeleitet.
So werden z. B. mehrere Verstärker in Kaskaden zusammengeschaltet, um eine größere
Verstärkung gegenüber einem Einzelverstärker zu erzielen. Allen Schaltungen gemeinsam
ist die induktive Kopplung von Steuer- und Arbeitsstromkreisen durch die Transformatorwirkung
zwischen Arbeits- und Steuerwicklungen an den Drosseln.
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Die Kopplung bewirkt das Auftreten induzierter Spannungen und damit
verbunden das Fließen vom Ausgleichsströmen in, den angekoppelten Stromkreisen.
Diese Ausgleichsströme sind in zweifacher Hinsicht schädlich: Erstens machen sie
den Verstärker träge, d. h. sie vergrößern die Zeitkonstante von Übergangsvorgängen,
zweitens erfordern sie zur Unterdrückung ihrer unerwünschten. Steuerwirkung gewöhnlich
Maßnahmen, die den. Verstärkungsgrad herabsetzen.
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Erfindungsgemäß werden zur Vermeidung dieser Mangelerscheinungen bei
einem magnetischen Verstärker mit Selbstsättigungsschaltung die Arbeitsstromkreise
von anderen über die Drosselwicklungen magnetisch angekoppelten Steuer- und Arbeitskreisen.
dadurch entkoppelt, daß in die Stromkreise,, in, denen die Arbeitswicklungen in
Reihe mit den Ventilen, liegen, Gegenspannungen eingeschleust werden zu den Spannungen,
die aus den angekoppelten Stromkreisen in diese Stromkreise induziert werden und
dadurch in diesen Ausgleichsströme hervorrufen könnten.
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Die Wirkungsweise der Erfindung soll an zwei Beispielen erläutert
werden: Fig. 1 zeigt die bekannte Doublerschaltung mit dem Steuerteil I und dem
Arbeitsteil II. Die Steuerspannungsquelle 1 treibt den Steuerstrom über den Vorschaltwiderstand
4 durch die Steuerwicklungen 5, 6 der Drosseln 7, B. Der Arbeitsteil II enthält
die Wechselstromquelle 11, die den Arbeitswiderstand 14 im Takt abwechselnd über
die Arbeitswicklungen 9 (10) der Drosseln 7 (8) und die Ventile 13.1 (13.2) speist.
Die Stelle des Arbeitswiderstandes 14 kann auch eine Anordnung, bestehend aus einem
Gleichrichter und dem Arbeitswiderstand, einnehmen, wenn der Arbeitswiderstand mit
Gleichstrom gespeist werden soll.
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Hat die Steuerspannung die eingezeichnete Polarität, so bewirkt der
Steuerstrom in denWicklungen5, 6 eine der durch den Arbeitsstrom in, den Wicklungen.
9, 10 erzeugten entgegengerichtete Magnetisierung der Drosseln 7, B. Wird
die Steuerspannung vergrößert, so nehmen die Wicklungen einen größeren Teil der
Speisespannung 11 auf, und die am Widerstand 14 anfallende Spannung sinkt (Abwärtssteuerung).
Wird ein solcher Umsteuerungsvorgang durch einen Sprung der Steuerspannnung bewirkt,
so ändert sich die Spannung an dem Arbeitswiderstand 14 nicht ebenfalls sprunghaft,
sondern mit einem Zeitverlauf, der durch eine Folge periodischer, sich innerhalb
einer Halbperiode ablösender e-Funktionen angenähert beschrieben werden kann. Jede
dieser e-Funktionen wird durch eine Zeitkonstante T = LIR bestimmt, die sich
als Summe der Zeitkonstanten von Steuerstromkreis TI und des angekoppelten Arbeitsteils
T2 ergibt. T2 ist dabei von der Umsteuerungsrichtung und dem Zustand der in Arbeitstakt
. befindlichen Drossel (Drossel 7 bei der eingezeichneten Polarität von 11), nämlich,
ob sich diese im Sperr- oder Leitzustand befindet, abhängig. Aus der Beziehung T
= L/R geht für die Zeitkonstante des Arbeitsteils T2 hervor, daß sie dem resultierenden
Widerstand des Arbeitsteils umgekehrt proportional ist. Beider Aufwärtssteuerung
geht der hohe Sperrwiderstand der Ventile in den Widerstand R ein, so daß praktisch
nur die Zeitkonstanten
des Steuerkreises den Umsteuerungsablauf
bestimmen. Bei der Abwärtssteuerung der Doublerschaltung wird im Leitzustand des
Arbeitstaktes der Widerstand R lediglich durch den Durchlaßwiderstand zweier Ventile
13.1, 2 und den Widerstand der Arbeitswicklung 9, 10 gebildet. T, wird dabei sehr
groß, so daß die Umsteuerung praktisch nur während des Sperrzustandes im Arbeitstakt
vor sich geht, wobei der Arbeitswiderstand 14 in den. Widerstand R mit eingeht und
T2 entsprechend kleiner wird als im Leitzustand, aber immer noch wesentlich größer
bleibt als bei der Aufwärtssteuerung. Dies hat zur Folge, daß sich die Doublerschaltung
in der Abwärtssteuerung ausgesprochen träge verhält.
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Die Anwendung des Erfindungsgedankens auf diese Schaltung zeigt Fig.
2. Es ist nur der Arbeitsteil 1I dargestellt. Der Steuerteil kann nach Fig. 1, I
oder Fig. 3, I ausgebildet sein.
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In jedem Ventilstromkreis des Arbeitsteils II ist eine Hilfsspannung
12 mit dem Richtungssinn entgegengesetzt der Durchlaßrichtung der Ventile 13.1 und
13.2 eingeschleust. Die eingeschleuste Spannung kann entweder eine reine oder eine
pulsierende Gleichspannung sein, und z. B. nach einer der Fig. 5 bis 7 erzeugt werden.
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Die Wechselspannung bei 11 ist um die Höhe der Hilfsspannung 12 gegenüber
der bei der hilfsspannungsfreien Schaltung benötigten Wechselspannung vergrößert.
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Die Hilfsspannung ist der induzierten Spannung bei Abwärtssteuerung
entgegengerichtet und bewirkt, daß bei einem Steuerspannungssprung während des Leitzustandes
einer Drossel kein Ausgleichsstrom fließen kann. In diesem Zustand, der bei der
Schaltung nach Fig. 1 praktisch überhaupt keine Änderung der Steuergröße zuläßt,
wird jetzt die Umsteuerung genauso schnell wie bei der Aufwärtssteuerung. Die Doublerschaltung
nach Fig. 2 wird damit wesentlich schneller als die einfache Schaltung nach Fig.
1.
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In Verbindung mit einem Arbeitsteil nach Fig. 2 kann vorteilhaft ein
Steuerteil nach Fig. 3, I benutzt werden.
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Dieser Steuerteil (Fig.3, I) liefert für die Steuerung des Arbeitsteils
Spannungsimpulse auf die jeweils im Ruhetakt befindliche Drossel von solcher Größe,
daß die Drossel während einer Halbperiode der speisenden Spannung voll ausgesteuert
werden kann. Dieser Steuerteil kann wegen der Ausgleichsströme nicht mit einem Arbeitsteil
nach Fig. 1, 1I benutzt werden. Mit einer Anordnung gemäß der Erfindung nach Fig.
2, verbunden mit einem Steuerteil nach Fig. 3, I, kann jedoch auch die sonst so
träge Doublerschaltung ebenso schnell gemacht werden wie die schnellste magnetische
Verstärkerschaltung überhaupt, da jede Umsteuerung innerhalb einer Halbperiode ausgesteuert
werden kann.
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Als weiteres. Beispiel der Anwendung des Erfindungsgedankens sei die
Kaskadenschaltung zweier Verstärker nach Fig. 3 und 4 erläutert: Fig. 3 zeigt die
übliche Art der Anschaltung eines Folgeverstärkers (Teil III) an einen Eingangsverstärker
(Teile I, II). Die Stelle des dargestellten Steuerteils I kann auch ein Steuerteil
nach Fig. 1, I einnehmen, die Stelle des Schlußgliedes III in gleicher Weise eine
Anordnung Il -I- III, d. h. ein, Verstärker enthält n-1 Teile der Anordnung II.
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Teil I zeigt einen Steuerteil für Impulssteuerung. 1 ist die reine
oder pulsierende Steuergleichspannung, 2 die Steuerhilfswechselspannung. Die Differenz
beider Spannixngen bildet die Steuerimpulse, die abwechselnd im Takt der Speisefrequenz
von 2, gesteuert durch die Ventile 3.1-4, auf die Steuerwicklungen 5, 6 der Drosseln
7, 8 des Vorverstärkers gegeben. werden.
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Für die Anwendung des Erfindungsgedankens ist die Art des Steuerteils
an sich unerheblich. Bei Benutzung der beschriebenen, Impulssteuerung ergeben sich
jedoch besonders günstige und übersichtliche Betriebsverhältnisse.
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Der Arbeitsteil des Vorverstärkers, bestehend aus der Wechselspannungsquelle
11, den Arbeitswicklungen 9, 10 und den Ventilen 13.1-4 liefert die Steuergröße
für den Folgeverstärker auf die Steuerwicklungen 15, 16 der Drosseln 17, 18 über
den V orschaltwiderstand 14.
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Teil II kann als Brücke aufgefaßt werden, in deren. Diagonalzweigen
die Wechselspannungsquelle 11 und die Steuerwicklungen. 15, 16 des Folgeverstärkers
liegen. Schaltungstechnisch sind die Positionen 14, 15, 16 von Fig. 3 analog den
Positionen 4, 5, 6 des Steuerteils von Fig. 1, obwohl die von ihnen gelieferten
Steuergrößen völlig verschieden sind: Teil I von Fig. 1 liefert im stationären Zustand
einen konstanten Steuergleichstrom, Teil II von Fig. 3 dagegen Spannungsimpulse
von der Form teilausgesteuerter Sinushalbwellen als Steuergröße. Infolge der transformatorischen
Kopplung der Teile II, III miteinander kann (wegen der Ausgleichsströme in Teil
III) weder die kleinste Eigenzeit erreicht noch (wegen. der Ausgleichsströme in
Teil II) die größte Verstärkung erzielt werden, da nur ein Teil der vom Verstärker
gelieferten Energie zur Steuermagnetisierung verwendet wird, der Rest dagegen am
Widerstand 14 und, transformiert, am Widerstand 23 des Folgeverstärkers anfällt.
Außerdem werden »zur Kompensation der induktiven Belastung« des Verstärkers oft
noch weitere Maßnahmen nötig, wie z. B. die Anschaltung eines Kondensators in Reihe
mit einem Widerstand parallel zu den Positionen 14, 15, 16 von Fig. 3, 1I, y1 wie
gestrichelt dargestellt.
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Gleichzeitig maximale Verstärkung und kleinste Eigenzeit (1/2 Periode)
werden für jede Verstärkerstufe mit der erfindungsgemäßen. Schaltung des Mittelteils
II nach Fig. 4 erzielt: Arbeitswicklung des Vorverstärkers 9 (10) und Steuerwicklung
des Folgeverstärkers 15 (16) liegen in Reihe im gleichen. Stromweg. Dadurch wird
bewirkt, daß jede Drossel nur einen Steuerimpuls je Periode erhält. Durch entsprechende
Polung derWechselspannungsquellen.2, 11, 21 wird dafür Sorge getragen, daß die Steuerimpulse
nur auf die Drosseln gegeben werden, die sich im Ruhetakt befinden. Mit diesen Maßnahmen
sind die in Brückenschaltung ausgeführten Teile I und III hinsichtlich der Transformatorwirkungen
vom Mittelteil II entkoppelt, nicht jedoch Teil II von den Teilen I und III. Sind
nämlich die Drosseln 7 und 17 (bzw. 8 und 18) gleichzeitig im entsättigten Bereich
(Sperrzustand), so kann die Summe der an denWicklungen9 und 15 (bzw. 10 und 16)
auftretenden Spannungen, größer sein als die ihnen entgegengeschaltete Wechselspannung
bei 11 und einen Ausgleichsstrom in Durchlaßrichtung des Ventils 13.1 (bzw. 13.2)
treiben, der den Verstärker in dieser Form arbeitsunfähig machen würde.
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Dies wird dadurch verhindert, daß in den Teil Il Gegenspannungen 12
entgegen: der Durchlaßrichtung der Ventile 13.1, 2 und entgegen der Richtung der
induzierten Spannungen in den Wicklungen 9; 15 bzw. 10, 16 eingeschleust werden,
die das Fließen von Ausgleichsströmen durch die in den Wicklungen 9, 15 bzw. 10,
16 induzierten Spannungen verhindern. Die
Gegenspannung bei 12 kann
sowohl eine reine als auch eine pulsierende Gleichspannung sein.
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Die Spannungen 11 und 12 sind zweckmäßigerweise so groß zu wählen,
daß während des Ruhetaktes ihre Summe in jedem Augenblick mindestens ebenso groß
ist wie die Summe der induzierten Spannungen und daß die Differenz der über eine
Halbperiode gebildeten Spannungszeitsummen beider Spannungen während des Arbeitstaktes
ebenso groß ist wie die Spannungszeitsumme, die zur Ummagnetisierung zwischen den
Sättigungsgrenzen jeder in dem Stromkreis liegenden Drossel aufgebracht werden muß.
Eine für das richtige Arbeiten des Verstärkers notwendige Voraussetzung ist, daß
der Magnetisierungsstrom in den Wicklungen 15 (16) größer ist als in den Wicklungen
9 (10).
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Die Stelle des Endgliedes entsprechend Fig. 3, III kann auch ein Glied
nach Fig. 2 einnehmen. Ebenso kann die am einphasigen Beispiel erläuterte Schaltung
sinngemäß bei Mehrphasensystemen angewendet werden.