DE1263852B - Magnetkern-UEbertrager mit einem mittels Steuerstrom veraenderbaren Kopplungsfaktor - Google Patents

Description

• Magnetkern-übertrager mit einem mittels Magnetkern-übertrager, deren Kopplungsfaktor in Steuerstrom veränderbaren Kopplungsfaktor weiten Grenzen elektronisch durch einen Steuerstrom, veränderbaren Gleichstrom oder Stromimpulse regelbar ist, sind für viele Zwecke sehr nützlich, insbesondere in der Nachrichtentechnik. Sie können beispielsweise als elektrisch sehr schnell durchschaltbare übertrager in Torschaltungen für Wechselstrom- oder Impulssignale dienen. Man kann sie ferner in der elektronischen Fernsprech-Vermittlungstechnik zur Prüfung des Anruf- und Belegungszustandes der Teilnehmerleitungen einsetzen, wobei der festzustellende Leitungsstrom die Steuerspule des übertragers durchfließt und hierbei die Durchschaltung des galvanisch davon getrennten Prüfsignals bewirkt. Letzteres kann wahlweise aus einer andauernden Wechselspannung oder aus einem Spannungsimpuls bestehen. übertrager der genannten Art können aber auch als Modulatoren dienen, wobei die Modulation der Eingangsspannung durch die Änderung der Kopplung zwischen Eingangs- und Ausgangswicklung bewirkt wird. Ferner können übertrager mit elektrisch regelbarem Kopplungsfaktor grundsätzlich auch als magnetische Verstärker verwendet werden, wenn sich der Kopplungsfaktor in ausreichenden Grenzen und mit relativ kleiner Steuerleistung regeln ließe.
• Bei den meisten dieser oder anderer Anwendungen wird nicht nur eine möglichst große Veränderung des Kopplungsfaktors gewünscht, sondern auch vor allem die Möglichkeit einer vollkommenen Entkopplung von Eingangs- und Ausgangswicklung und eine ausreichende Entkopplung zwischen diesen und der Steuerwicklung.
• Es ist bereits grundsätzlich bekannt, den Kopplungsgrad zwischen zwei Spulen in gewissen Grenzen dadurch zu verändern, daß man die Permeabilität des koppelnden, ferromagnetischen Kerns mit Hilfe einer besonderen, vormagnetisierenden Wicklung ändert, wodurch zugleich die Streuinduktivität der beiden Wicklungen verändert wird. Diese Anordnungen haben jedoch den für manche Anwendungen entscheidenden Nachteil, daß eine vollkommene Kopplung und vor allem eine vollkommene Entkopplung zwischen Eingangs- und Ausgangswicklung selbst mit Hilfe sehr großer Steuerdurchflutungen bei weitem nicht möglich ist. Sie sind außerdem mit einer unerwünscht starken Änderung der Induktivität der übertragerwicklungen behaftet.
• Es sind ferner magnetische Amplitudenmodulatoren bekannt, bei denen das Trägersignal durch gleichstromvormagnetisierte, steuerbare Induktivitäten moduliert wird (z. B. deutsche Patentschrift 1050 839). Das auf der Form der Magnetisierungskurve des Kernwerkstoffs beruhende Sperr-Durchlaß-Verhältnis solcher Induktivitäten ist jedoch nicht sehr befriedigend, und die Anordnungen erfordern zusätzliche übertrager.
• Es sind ferner Anordnungen bekannt, die mit Hilfe stromgesteuerter Induktivitäten in komplizierteren Schaltungen eine empfindliche Modulation bzw. Signalübertragung ermöglichen. Sie arbeiten jedoch mit Resonanzabstimmung, sind also nur für eine bestimmte Trägerfrequenz brauchbar, und erfordern einen erheblichen Schaltungsaufwand (deutsche Patentschrift 910 671).
• Schließlich sind auch Anordnungen bekannt, bei denen das oben gesteckte Ziel mit Hilfe von supraleitenden Substanzen angestrebt wird. Hierbei wird die Kopplung zwischen zwei benachbarten Spulen dadurch verändert, daß ein dazwischenliegendes Blech mit Hilfe eines steuernden Magnetfeldes vom supraleitenden Zustand (völlige magnetische Abschirmung) in den normalleitenden Zustand (schwächere Abschirmung) gebracht wird. Dieses Verfahren hat aber den Nachteil der umständlichen und aufwendigen Tiefkühlung (flüssiges Helium) und führt außerdem durch den sehr schmalen übergangsbereich zwischen den beiden Leitfähigkeitszuständen auf praktische Schwierigkeiten.
• Die Nachteile der bekannten Anordnungen werden durch -den Magnetkernübertrager nach der Erfindung vermieden. Dieser ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs- und die Ausgangswicklung - einen mit vier symmetrisch angeordneten Öffnungen versehenen Kern durch je zwei Öffnungen so durchdringen, daß bei Erregung der Eingangswicklung der zugehörige magnetische Gesamtfluß die Gesamtwindungsfläche der Ausgangswicklung nicht durchsetzt (Kopplung = 0), und daß eine Steuerwicklung aller vier Kernöffnungen in einem solchen Sinn durchläuft, däß zwei der vier zwischen den Öffnungen liegenden Kernzonen (Steuerstege) von der Steuerdurchflutung gesättigt werden. können, so daß der Fluß der Eingangswicklung mit Hilfe des Steuerstromes gezwungen werden kann, seinen Schließungsweg in veränderbarem Maß durch die Windungsfläche der Ausgangswicklung zu nehmen (Kopplung+ 0).
• Das Prinzip-der Erfindung geht aus Fi g. 1 hervor. Die beiden zu verkoppelnden Wicklungen, die,Eingangswicklung E und die Ausgangswicklung A durchsetzen den als zylindrische Scheibe- ausgebildeten Kern K in je zwei diametral einander gegenüberliegenden zylindrischen Löchern 1, 2 bzw. 3, 4, wobei die Mittelpunkte der Löcher in der Kernebene rhombisch angeordnet sind, so daß ihre Verbindungslinien senkrecht aufeinanderstehen und sich halbieren. Mit Hilfe des regelbaren Gleichstromes IS in der Steuerwicklung S, die aus zwei in Reihe liegenden Teilwicklungen S" und Sb besteht und alle vier Löcher im eingezeichneten Wicklungssinn durchsetzt, werden von den vier Kernstegen, die die Löcher trennen, die beiden von der Steuerwicklung umgebenen diagonal liegenden Stege, die schraffiert dargestellt und im folgenden als »Steuerstege« bezeichnet sind, an ihrer engsten Stelle in veränderlichem Maß magnetisch gesättigt. Man sieht leicht ein, daß in der dargestellten Anordnung ohne die Vormagnetisierung durch den Steuerstrom, d. h. bei IS = 0, die magnetische Kopplung zwischen der Eingangswicklung E und der Ausgangswicklung A aus Symmetriegründen Null ist und daß bei Vorhandensein des Steuerstromes bei beginnender Sättigung der Steuerstege und entsprechender - Erhöhung ihres magnetischen Widerstandes der von der Eingangswicklung E erzeugte Fluß entsprechend den gestrichelten Linien in steigendem Maß auf die anderen, nicht gesättigten Stege ausweicht und dabei die Windungsfläche der Ausgangswicklung A durchsetzt. Bei völliger Sättigung der Steuerstege erreicht die -magnetische Kopplung zwischen der Ein- und Ausgangswicklung nahezu ihren vollen Wert 1.
• In der Anordnung nach F i g. 1 besteht noch eine unerwünschte Kopplung zwischen dem Steuerkreis und den Übertragungsstromkreisen. In Weiterbildung der Erfindung läßt sich dieser Mangel dadurch beheben, daß man zwei gleiche Anordnungen der geschilderten Art so zusammenschaltet,. daß die von den Übertragungskreisen in die Steuerwicklung und umgekehrt überkoppelten Spannungen kompensiert werden, z. B. durch gegensinnige Reihenschaltung der beiden Steuerwicklungen. Hierbei können die beiden mit ihren Steuerwicklungen versehenen übertragerkerne beispielsweise auch dicht übereinanderliegen und von den Ein- und Ausgangswicklungen gemeinsam umschlungen werden.
• Die Form des Kerns kann von derjenigen der F i g. 1 weitgehend abweichen. . Wie in F i g. 2 dargestellt, kann man beispielsweise den Löchern bzw. Öffnungen des Kernes eine Sektorform geben; die für die Sperrung der Steuerstege durch Sättigung günstiger ist.
• Auch kann der Kern im Interesse einer einfacheren Herstellung und Bewicklung, insbesondere zwecks Verwendung aufschiebbarer Spulenkörper,, aus mehreren Teilen hergestellt werden, die z. B. mit. feingeschliffenen Trennfugen oder durch Schachteln von Übertragerblechen zusammengesetzt werden. Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in den F i g. 3 und 4 dargestellt. Es handelt sich dabei um einen quaderförmigen Kern der in F i g. 3 in Seitenansicht mit im senkrechten Querschnitt gezeichneten Wicklungen und in F i g. 4 in Ansicht von oben mit teilweise dargestelltem horizontalem Querschnitt. Der Kern besteht aus vier mit geschliffenen Trennflächen äneinanderliegenden Teilkernen Ki, K2, :K3 und K4, von denen die beiden inneren Teilkerne K2 und K3 als E-Kerne und die beiden äußeren Teilkerne K1 und K4 als U-Kerne ausgebildet sind. In den vier Fensteröffnungen 1, 2, 3 und 4 sind die fertig auf Spulenkörpern aufgebrachten Wicklungen untergebracht. Der Zusammenbau geschieht in der Weise, daß in den die Wicklungen A und S" tragenden Spulenkörper die E Kerne K2 und K3 seitlich. eingeschoben werden, daß danach über diese E-Kerne der die Wicklungen E und Sb tragende Spulenkörper von oben oder unten aufgeschoben wird und daß über diesen Spulenkörper und die E-Kerne schließlich die U-Kerne K1 und K4 seitlich aufgeschoben werden. .
• Es ist zu bemerken, daß die beiden in Reihe geschalteten Teilwicklungen S" und Sb der Steuerwicklung hier den Kernöffnungen in anderer Weise zugeordnet sind als in den F i g.1 und 2. Wenn man jedoch die Stromrichtungen dieser Teilwicklungen beim Durchdringen der verschiedenen Öffnungen vergleicht, erkennt man, daß die Wirkung der Steuer-Wicklungen in beiden Fällen dieselbe ist.
• Der erfindungsgemäße Magnetkernübertrager kann einerseits als durchschaltbarer Übertrager für Torschaltungen verwendet werden, darüber kann er- aber vorteilhaft auch zur Amplitudenmodulation, zur- magnetischen Verstärkung und zur Messung von Strömen eingesetzt werden. Seine Verwendung ist nicht nur auf Wechselstromsignale beschränkt, sondern auch bei impulsförmigen zu übertragenden Signalen und/oder impulsförmigen Steuersignalen möglich.
• Der Zusammenhang zwischen dem Kopplungsfaktor und dem Steuerstrom ist abhängig von der Magnetisierungskurve des Kernmaterials und von der Größe und dem Verlauf des Kernquerschnittes längs der Steuerstege und daher im allgemeinen nichtlinear. Im Fall von durchschaltbaren Übertragern ist dies kein Nachteil. Hier kommt es nur auf einen starken Anstieg der Kopplung mit dem Steuerstrom an, was durch einen Kernwerkstoff mit steiler Magnetisierungsschleife und kleiner Remanenz und Koerzitivfeldstärke erreicht werden kann und durch Steuer-Stege, deren Querschnitt so klein. ist, als es die zu übertragende Wechselstrom- oder Impulsleistung noch zuläßt. Bei Anwendung für.Modulationszwecke kann der Zusammenhang zwischen Steuerdurchflutung und Kopplungsfaktor durch Wahl eines geeigneten Kernwerkstoffs und durch eine zweckmäßige Form der Steuerstege zwischen den Löchern bis zu einem gewissen Grad linearisiert oder an eine gewünschte andere Funktion angenähert werden: Durch eine zusätzliche Vormagnetisierung kann ferner der Arbeitspunkt des Modulators günstig eingestellt werden.
• Je nach der Höhe der zu übertragenden Frequenzen bzw. der Form der zu übertragenden Impulse und je nach der Größe der verfügbaren Steuerleistung und sonstigen weiteren Bedingungen des Anwendungsfalles kann der Kern aus Übertragerblechen geschichtet oder aus weichmagnetischen Ferritwerkstoffen hergestellt werden. Ferrite mit kleiner Sättigungsinduktion und hoher Permeabilität sind besonders dann vorteilhaft, wenn bei kleiner zu übertragender Leistung die Steuerleistung sehr klein sein soll, wie z. B. bei Modulatoren oder magnetischen Verstärkern. Sie gestatten ferner die Übertragung bzw. Modulation hoher Frequenzen.
• F i g. 5 zeigt die an einem erfindungsgemäßen, steuerbaren Übertrager mit dem Übersetzungsverhältnis 1:1 bei einer Frequenz von 100 kHz und einer Belastung von 150 SL gemessenen Ausgangsspannung UA in Abhängigkeit von der Steuerdurchflutung 0s. Dieser Übertrager, der nur ein Demonstrationsbeispiel darstellt und nicht optimal dimensioniert ist, entspricht bezüglich Kernform und Wicklungen der F i g. 1, wobei die Entkopplung zwischen Steuer- und übertragerwicklungen in der oben beschriebenen Weise durch Verwendung zweier gleicher Kerne erzielt wurde. Die beiden Kerne bestehen aus hochpermeablen Ferritplatten mit folgenden Abmessungen: Außendurchmesser 45 mm, Dicke 3 mm, Lochdurchmesser 11 mm, kleinste Steuerstegbreite 2 mm. Die übertragerwicklungen E und A bestehen aus je 15 Windungen, die gemeinsam über beide Kerne gewickelt sind, die Steuerwicklungen S aus 4 - 50 Windungen, die auf beide Kerne getrennt aufgewickelt sind. F i g. 5 läßt die beträchtliche Variation der Ausgangsspannung erkennen, die bei Steigerung der Steuerungsdurchflutung 0s von sehr kleinen Werten bis zum fast vollen Wert der Eingangsspannung U" ansteigt. Die Annäherung an die Ausgangsspannung 0 im entkoppelten Zustand ist praktisch nur durch Unsymmetrien in der Lage der Kernöffnungen und durch kapazitives Überkoppeln zwischen den übertragerwicklungen begrenzt. Diese Einflüsse haben jedoch mit dem Prinzip der Erfindung nichts zu tun und lassen sich sehr weit herabdrücken.

Claims (11)

1. Patentansprüche: 1. Magnetkern-Übertrager mit einem mittels Steuerstrom veränderbaren Kopplungsfaktor, d adurch gekennzeichnet, daß dieEingangs-und die Ausgangswicklung einen mit vier symmetrisch angeordneten Öffnungen versehenen Kern durch je zwei Öffnungen (1, 2 bzw. 3, 4) so durchdringen, daß bei Erregung der Eingangswicklung (E) der zugehörige magnetische Gesamtfluß die Gesamtwindungsflächen der Ausgangswicklung (A) nicht durchsetzt (Kopplung = 0), und daß eine Steuerwicklung alle vier Kernöffnungen in einem solchen Sinn durchläuft, daß zwei der vier zwischen den Öffnungen liegenden Kernzonen (Steuerstege) von der Steuerdurchflutung gesättigt werden können, so daß der Fluß der Eingangswicklung (E) mit Hilfe des Steuerstromes gezwungen werden kann, seinen Schließungsweg in veränderbarem Maße durch die Windungsfläche der Ausgangswicklung (A) zu nehmen (Kopplung + 0).
2. 2. Übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunkte der Kernöffnungen (1, 2, 3, 4) für die Eingangs- und Ausgangswicklung in der Kernebene rhombisch angeordnet sind und daß von den zwischen benachbarten Öffnungen (1, 4 und 2, 3) liegenden, verengten Steuerstegen zwei einander diagonal gegenüberliegende für die Flußsteuerung benutzt werden.
3. 3. Übertrager nach Anspruch 1 und 2 mit besonders hoher Steuerempfindlichkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die engsten Querschnitte der zwischen den Kernöffnungen liegenden Steuerstege so klein gehalten sind, daß sie für die größte zu übertragende Leistung, unter Berücksichtigung der Sättigungsmagnetisierung des Kerns, gerade noch ausreichen.
4. 4. Übertrager nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusammenhang zwischen Kopplungsgrad und Steuerstrom durch den Verlauf des Steuerstegquerschnitts in Abhängigkeit von der Steglänge und/oder durch die Form der Magnetisierungskurve des Kernwerkstoffs dem Verwendungszweck günstig angepaßt ist.
5. 5. Übertrager nach Anspruch 1 bis 4, insbesondere für kleine zu übertragende Leistungen und mit hoher Steuerempfindlichkeit, dadurch gekennzeichnet, daß hochpermeable Kernwerkstoffe mit kleiner Sättigungsinduktion, insbesondere Ferrite, verwendet werden.
6. 6. Übertrager nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus mehreren Teilen (K1, K2, K3, K4) mit feingeschliffenen Trennfugen zusammengesetzt oder aus übertragerblechen zusammengeschachtelt ist.
7. 7. Übertrager, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleiche Übertrager nach Anspruch 1 bis 6 so zusammengeschaltet sind, daß sich die zwischen den Steuerkreisen und den übertragerstromkreisen überkoppelnden Spannungen kompensieren. B.
8. Übertrager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die übertragerwicklungen (E, A) beide Kerne gemeinsam umschlingen, während die Steuerwicklungen (S) auf beide Kerne getrennt aufgewickelt sind.
9. 9. Verwendung von Übertragern nach Anspruch 1 bis 8 zur Amplitudenmodulation.
10. 10. Verwendung von Übertragern nach Anspruch 1 bis 8 zur magnetischen Verstärkung von Signalen.
11. 11. Verwendung von Übertragern nach Anspruch 1 bis 8 zur Messung von Strömen.