DE1278522B - Gleichstrom-Summier- und Trennverstaerker zur Addition bzw. Subtraktion von Gleichstrom-Messwerten - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03f

Deutsche Kl.: 21 a2-18/02

Nummer: 1278 522

Aktenzeichen: P 12 78 522.7-31 (St 23718)

Anmeldetag: 22. April 1965

Auslegetag: 26. September 1968

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstrom-Summier- und Trennverstärker zur Addition bzw. Subtraktion von Gleichstrom-Meßwerten, die an verschiedene Potentiale gebunden sind, mit einem mit mehreren Wicklungen versehenen ferromagnetischen Kern, dessen Magnetisierung durch die Meßströme und durch eine Erregerspannung beeinflußt wird. Bei der Analog-Fernübertragung von Meßwerten wird in der Regel mit normierten Eingangs- und Ausgangssignalen mit Gleichströmen von 0 bis 10 mA oder mit Gleichspannungen von 0 bis 10 V, die jeweils 0 bis 100% des zu übertragenden Meßwertes entsprechen, gearbeitet. Dabei lassen sich — sofern der Verbraucherwiderstand konstant ist — Stromwerte in Spannungswerte und umgekehrt um- wandeln.

Oft ist es erforderlich, derartige Meßwerte zu addieren bzw. zu subtrahieren. Zu diesem Zweck werden Ströme parallel und Spannungen in Serie

Gleichstrom-Summier- und Trennverstärker zur Addition bzw. Subtraktion von
Gleichstrom-Meßwerten

Anmelder:

Standard Elektrik Lorenz Aktiengesellschaft,
7000 Stuttgart-Zuffenhausen,
Hellmuth-Hirth-Str. 42

Als Erfinder benannt:

Wolfgang Smitka, 7530 Pforzheim

es deshalb notwendig, Gegenkopplungsschaltungen anzuwenden und den Vorstrom zu stabilisieren.

Ferner ist es bekannt, einen derartigen Magnetgeschaltet. Das läßt sich aber nur durchführen, wenn *o verstärker ohne Vormagnetisierung und mit erhöhter die Meßwerte nicht an bestimmte Potentiale gebun- Erregeramplitude zu betreiben. Bei Beaufschlagung den sind. So ist es bekannt, Wechselspannungs- durch die Eingangssignale wird dann der Kern bis Verstärker zu verwenden und die Potentialtrennung dicht an die Sättigungswerte ausgesteuert, so daß durch Transformatoren vorzunehmen. Die Gleich- infolge der Verzerrung des Erregersignals die zweite Spannungssignale werden dabei vor dem Verstärker- as Harmonische desselben mit nennenswerter Amplieingang durch Zerhacker in Wechselspannungen tude als Ausgangssignal zur Verfügung steht. Dieses umgeformt und am Ausgang des Verstärkers wieder muß durch ein Bandfilter ausgesiebt und mit Hilfe gleichgerichtet. Die Summierung der Meßwerte eines phasenempfindlichen Gleichrichters gleicherfolgt wechselspannungsseitig am Eingang des Ver- gerichtet werden. Auch diese Lösung reicht für hohe stärkers, so daß jedem Meßwerteingang ein getrenn- 30 Ansprüche an die Genauigkeit nicht aus, weil die ter Wechselrichter zugeordnet werden muß. magnetischen Eigenschaften eines Eisenkernes nicht

stabil und unter anderem von der Temperatur und dem mechanischen Druck in der Halterung abhängig sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen sehr genau arbeitenden Gleichstrom-Summier- und Trennverstärker zu schaffen, der unabhängig von Veränderungen des Magnetkernes und der Amplitude der Erregerspannung ist und ohne Vormagneti-

Es ist auch ein Gleichstrom-Summier- und'Trennverstärker bekannt, der nach dem Prinzip des
Magnetverstärkers arbeitet. Der Kern, dessen Hysteresisschleife möglichst schmal sein soll, weist hierzu 35
eine Erregerwicklung und eine oder mehrere Eingangswicklungen auf. Die Erregerwicklung erhält
eine sinusförmige Wechselspannung, und den Eingangswicklungen werden die zu summierenden
Ströme zugeführt. Die von der Vormagnetisierung 40 sierung arbeitet,
des Kernes abhängige Amplitude der Erregerspan- Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die

nung am Ausgang des Verstärkers entspricht der Erregerspannung aus zwei entgegengesetzt gepolten Summe der in den Eingangswicklungen fließenden Spannungsquellen über die Emitter-Kollektor-Ströme. Das eigentliche Ausgangssignal des Verstär- Strecken zweier Schalttransistoren einem Anschluß kers muß schließlich mit Hilfe eines phasenempfind- 45 der Erregerwicklung zugeführt wird, deren anderer liehen Demodulators nach Größe und Richtung aus Anschluß an der Verbindungsleitung der beiden der Ausgangsspannung des Verstärkers abgeleitet Spannungsquellen liegt, daß an die Emitter- und werden. — Die Linearität von Magnetverstärkern Basiselektroden der Transistoren angeschlossene ist bekanntlich sehr mangelhaft. Außerdem muß der Wicklungen mit der Erregerwicklung Rückkopp-Arbeitspunkt auf der Magnetisierungskennlinie 50 lungsschaltungen bilden, welche die Transistoren durch einen Vorstrom eingestellt werden. — Um abwechselnd leitend machen, daß ein ferromagnetieinigermaßen genaue Meßergebnisse zu erhalten, ist scher Kern mit rechteckiger Hysteresisschleife vor-

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gesehen ist und daß die Erregerspannvmg derart bemessen ist, daß die Magnetisierung des Kernes jeweils in den positiven und negativen Sättigungsbereich gelangt, wodurch ein im Stromkreis der Erregerwicklung liegendes Anzeigegerät die Summe (Differenz) der in die Eingangswicklungen fließenden Meßströme nach Größe und Richtung angibt.

Ein derartiger Gleichstrom-Summier- und Trennverstärker, der in weiten Grenzen unabhängig von

Anzeige I_A maßgeblich ist, kann durch entsprechende Dimensionierung der Windungszahlen der einzelnen Eingangswicklungen (B usw.) eine einfache Anpassung an die Meßbereiche vorgenommen werden. Die in den F i g. 3 und 4 dargestellten Stromverläufe sind stark idealisiert dargestellt. Die gestrichelt gezeichneten Kurventeile zeigen jeweils den starken Anstieg des Stromes in der Wicklung A nach Erreichung der Sättigungsgrenze des Kernes T und vor

der Erregerspannung und den Eigenschaften des io der Umschaltung der Spannung. Magnetkernes ist, ermöglicht ohne Gegenkopplungs- F i g. 5 zeigt — vereinfacht — den Aufbau einer

schaltungen hohe Genauigkeiten bei der Meßwertübertragung und kommt zudem ohne Wechselspannungsverstärker, Filter und phasenempfindlichem Gleichrichter aus.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Summier- und Trennverstärkers wird nachstehend an Hand der F i g. 1 bis 5 beschrieben.

F i g. 1 veranschaulicht das Prinzip der erfindungsgemäßen Anordnung;

F i g. 2 zeigt die Magnetisierungskurve des Ubertragerkernes;

F i g. 3 und 4 zeigen den Verlauf des Magnetisierungsstromes bei unterschiedlicher Vormagnetisierung; in der

F i g. 5 ist ein Ausführungsbeispiel der Anordnung gemäß der Erfindung dargestellt.

Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip soll zunächst an Hand der F i g. 1 erläutert werden. Das

praktisch ausgeführten Schaltung nach dem
Bild 1 dargestellten Prinzip.

Da es für die richtige Arbeitsweise wichtig ist, daß der Kontaktk (Fig, 1) sofort nach dem Erreichen der Sättigung umschaltet, macht die Erfindung von dem bekannten Prinzip des Transistorzerhackers Gebrauch und führt die Umschaltung mit Hilfe von Transistorschaltern aus, die sich in einer Rückkopplungsschaltung befinden.

Die auf den Kern Tl mit rechteckiger Hysteresisschleife aufgebrachte Erregerwicklung B (1-2) wird über den npn-Transistor Vl an die Spannung ül oder über den pnp-Transistor V2 an die Spannung U2 gelegt. Die Spannungen Ul und Z72 sind gleich groß und derart gepolt, daß ihre Wirkung auf die Wicklung B entgegengesetzt ist. Die Hüfswicklungen A und C sind Rückkopplungswicklungen zur Ansteuerung der Transistoren Vl und V2. Die

Magnetmaterial des Kernes 11 hat eine rechteckige 30 Wicklungen D und E bilden die Eingangswicklungen Hysteresisschleife, so daß die Magnetisierungskurve für die zu summierenden Ströme. Sie sind zur Eineine scharfe Begrenzung des Sättigungszustandes stellung der Meßbereiche mit den Anzapfungen a, aufweist. An die Erregerwicklung A (1-2) wird über b, c und d b' c' versehen.

den Schalter!? die Spannung Ul gelegt, bis gemäß Es sei zunächst angenommen, daß der Transistor

der Fig. 2 der Kern seinen Sättigungszustand I 35 Vl gerade leitend ist. Damit liegt der Anschluß 1 (+Bs) erreicht hat. Dann muß der Kontaktk von der ErregerwicklungB an der Spannung -Ul, und der Stellung I auf die Stellung II umschalten und der Anschluß 2 ist über das Anzeigegerät M mit an Stelle der Spannung Ul die Spannung U2 so + Ul (und gleichzeitig mit — U2) verbunden. Durch lange an die Erregerwicklung A legen, bis der Kern die Wicklung B fließt ein etwa sägezahnförmig ansteiin den Sättigungszustand II (~B_S) gelangt. Der 4° gender Strom, und die in der Wicklung A induzierte Kontakt k kehrt dann wieder in die Stellung I zurück, Spannung macht den Transistor Vl leitend, während und der Vorgang wiederholt sich. die in der Wicklung C induzierte Spannung den Tran-

Bei Gleichheit der Spannungen i/l und U2 sind sistor V2 sperrt.

gemäß der Fig. 3 die Zeiten ti und ti und die Erreicht nun die Induktion im Kern die Sättigungs-

Magnetisierungsströme gleich groß. Sie weisen dabei 45 grenze, dann steigt der in der Wicklung B fließende den gleichen Verlauf auf, aber ihre Wirkung ist Strom plötzlich stark an, weil zur Aufrechterhaltung entgegengesetzt. Ein in Serie zur Erregerwicklung der Gegenspannung bei gesättigtem Kern eine viel geschaltetes Instrument M zeigt daher den arith- größere Stromänderung erforderlich ist. Überschreitet metischen Mittelwert J_A — O an. Auf dem Kern T dieser Strom den Grenzwert, den der Transistor Vl ist ferner eine Eingangswicklung B 3-4 angeordnet. 5° noch durchschalten kann, so entsteht an der Emitter-Ein durch diese Wicklung fließender Strom J_E, der Kollektor-Strecke des Transistors Vl ein Spannungsdas Eingangssignal darstellt, beeinflußt die zur Um- abfall. Hierdurch nehmen die Spannungen an den magnetisierung erforderlichen Ströme, wie dies in Wicklungen A, B und C ab, bis schließlich der Trander Fig. 4 dargestellt ist, da er die Wirkung des in sistor Vl gesperrt ist und der Transistor V2 zu der Wicklung A fließenden Magnetisierungsstromes 55 schalten beginnt. Dabei wird die Wicklung B über einmal unterstützt und das andere Mal abschwächt. Transistor V2 an die Spannung + !72 gelegt und der Damit ist der angezeigte Strom T₄ (als Differenz Kern Tl von der positiven zur negativen Sättigungsder beiden Magnetisierungsstromhalbwellen) dem grenze ummagnetisiert.

Eingangsstrom J_E direkt proportional. Die von der Die als elektronische Schalter wirkenden Transi-

Wicklung B hervorgerufene Wirkung kann durch 60 stören Vl und V2 haben also die gleiche Aufgabe weitere Wicklungen, die von weiteren Strömen durch- wie der in der Fi g. 1 mit K bezeichnete Umschalter, flössen werden, unterstützt bzw. abgeschwächt wer- und damit fließt — solange kein Eingangssignal die den, wobei die Summe der Gleichstromdurchflutun- Magnetisierung des Kernes Tl verändert — wieder gen aller Eingangswicklungen den Mittelwert des der arithmetische Mittelwert des Stromes /4 = 0 angezeigten Stromes I_A bestimmt. Es ergibt sich 65 durch das Anzeigegerät M.

somit eine lineare Summierung der angelegten Meß- Die Wicklungen D und E, die um eine beliebige

werte. Da nicht die Größe der Eingangsströme allein, Anzahl erweitert werden können, stellen die Einsondern die jeweils verursachte Durchflutung für die gangswicklungen dar. Da in jeder Wicklung auch eine

Wechselspannung induziert wird, fließt ein unerwünschter Wechselstromanteil durch die Signalquelle. Zur Vermeidung der daraus entstehenden Störungsmöglichkeiten ist in Fig. 5 eine Kompensationsschaltung gestrichelt eingezeichnet, mit der diese Wechselspannung durch eine aus einem Übertrager Γ 2 entnommene Gegenspannung kompensiert werden kann. Die Primärwicklung X (1-2) des Übertragers Γ 2 ist dazu zwischen den Verbindungspunkt der Spannungen Ul-U 2 und die Verbindung der Kollektoren der Transistoren Vl und V 2 gelegt, so daß der Primärstrom des Übertragers Γ 2 nicht über das Anzeigegerät M fließen und den Mittelwert des Stromes verfälschen kann. Die Sekundärwicklung Y (1-3) des Übertragers Γ 2 ist zur Eingangswicklung D (1-3) des Kernes Tl derart in Serie geschaltet, daß sich die in jeder Wicklung induzierten Rechteckspannungen gegenseitig aufheben. Bei einer Umschaltung der Windungszahl der Wicklung D ist auch Wicklung Y an den Anzapfungen d, e und / umzu- so schalten. Für jede weitere Eingangswicklung ist eine getrennte Kompensationswicklung auf dem Übertrager Γ 2 anzuordnen. Der Kern Tl und der Übertrager T2 lassen sich in geeigneter Art und Weise derart zusammenfassen, daß für jeden Eingang nur eine Wicklung benötigt wird, die gleichzeitig als Eingangs- wie als Kompensationswicklung arbeitet.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gleichstrom-Summier- und Trennverstärker zur Addition bzw. Subtraktion von Gleichstrom-Meßwerten, die an verschiedene Potentiale gebunden sind, mit einem mit mehreren Wicklungen versehenen ferromagnetischen Kern, dessen Magnetisierung durch die Meßströme und durch eine Erregerspannung beeinflußt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspannung aus zwei entgegengesetzt gepolten Spannungsquellen (U 1 und t/2) über die Emitter-Kollektor- Strecken zweier Schalttransistoren (Vl und V 2) einem Anschluß (1) der Erregerwicklung (J5) zugeführt wird, deren anderer Anschluß (2) an der Verbindungsleitung der beiden Spannungsquellen (Ul und U 2) liegt, daß an die Emitter- und Basiselektroden der Transistoren (Vl und V 2) angeschlossene Wicklungen (A und C) mit der Erregerwicklung (B) Rückkopplungsschaltungen bilden, welche die Transistoren (Vl und V 2) abwechselnd leitend machen, daß ein ferromagnetischer Kern mit rechteckiger Hysteresisschleife vorgesehen ist und daß die Erregerspannung derart bemessen ist, daß die Magnetisierung des Kernes jeweils in den positiven und negativen Sättigungsbereich gelangt, und daß ein im Stromkreis der Erregerwicklung (B) liegendes Anzeigegerät (M) die Summe (Differenz) der in die Eingangswicklungen (E und D) fließenden Meßströme nach Größe und Richtung angibt.

2. Gleichstrom-Summier- und Trennverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangswicklungen (E und D) in ihrem Windungsverhältnis zu der Erregerwicklung (B) abgestuft sind.

3. Gleichstrom-Summier- und Trenn verstärker nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der in den Eingangswicklungen (E und D) induzierten Rechteckspannungen die Primärwicklung (X) eines Transformators (Γ2) an den Verbindungspunkt der beiden Kollektorelektroden der Schalttransistoren (Vl und V 2) und den Verbindungspunkt der beiden Spannungsquellen (Ul und U2) angeschlossen ist und daß Sekundärwicklungen (Y) des Transformators (Γ2) in Reihe zu den Eingangswicklungen (E und D) liegen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»radio mentor«, H. 12, 1959, S. 964 bis 966;
»Electronics World«, Juni 1964, S. 65 bis 69;
»Electronic Engineering«, November 1963, S. 742 bis 745.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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