DE1283291B - Magnetverstaerkeranordnung mit zwei Magnetkernen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03f

Deutsche KL: 21 a2 -18/08

Nummer: 1 283 291

Aktenzeichen: P 12 83 291.6-31 (F 46442)

Anmeldetag: 25. Juni 1965

Auslegetag: 21. November 1968

Die Erfindung betrifft eine Magnetverstärkeranordnung mit zwei Magnetkernen, von denen jeder mindestens eine an einen Steuersignaleingang angeschlossene Steuerwicklung und zwei an eine gemeinsame Wechselstromquelle angeschlossene Lastwicklungen mit jeweils einem Eingangs- und einem Ausgangsende aufweist, und mit Gleichrichtern, welche den Laststrom in den einzelnen Halbwellen der Wechselspannung über unterschiedliche Lastwicklungen fließen lassen.

Zur Gewährleistung von genauen Meßergebnissen, beispielsweise bei industriellen Verfahrensabläufen, ist es in vielen Fällen erforderlich, außerordentlich schwache elektrische Signale festzustellen bzw. zu verstärken. Für diesen Zweck wurden bereits verschiedene Arten von elektrischen Verstärkern vorgeschlagen, wobei sich die Verwendung von Magnetverstärkern als besonders vorteilhaft erwiesen hat.

Die herkömmlichen Magnetverstärker weisen im allgemeinen mindestens zwei bis zur Sättigung aus- ao steuerbare Magnetkerne auf, von denen jeder mindestens eine Last- und eine Steuerwicklung trägt und die nur jeweils während jeder zweiten Halbperiode der Wechselstrom-Speisespannung erregt werden. Derartige Verstärker sind insofern vorteilhaft, als sie im mittleren und oberen Aussteuerbereich verhältnismäßig unempfindlich gegenüber Schwankungen bzw. Änderungen der Betriebsbedingungen sind. Die Empfindlichkeit und Selektivität eines derartigen Verstärkers für sehr schwache Signale hängt jedoch insbesondere davon ab, wie genau die Magnetkerne hinsichtlich ihrer magnetischen Eigenschaften aneinander angepaßt sind.

Unter Anpassung der Magnetkerne aneinander wird verstanden, daß für jeden Verstärker solche Kerne hergestellt bzw. ausgewählt werden, die auf möglichst gleiche Weise auf Änderungen der Umgebungsbedingungen ansprechen und die möglichst gleiche Magnetisierungskennlinien aufweisen. Zum einen ist diese Anpassung von Magnetkernen — insbesondere bei Kleinsignalverstärkern mit hohen Genauigkeitsforderungen — außerordentlich langwierig und teuer, und zum anderen ist eine vollständige Anpassung zweier Kerne überhaupt nicht möglich. Die verbleibenden Unterschiede in der Magnetisierungskennlinie oder im Temperaturverhalten treten insbesondere bei Verstärkern für extrem schwache Eingangssignale nachteilig in Erscheinung.

Zur Kompensation dieser Fehlerquellen wurden bereits verschiedene elektrische Schaltungen vorgeschlagen, die insbesondere darauf abzielten, zusätz-Magnetverstärkeranordnung mit zwei
Magnetkernen

Anmelder:

Foxboro Company, Foxboro, Mass. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. phil. G. Henkel

und Dr. rer. nat. W. D. Henkel, Patentanwälte,

8000 München

Als Erfinder benannt:

Horace Earl Darling,

North Attleboro, Mass. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 26. Juni 1964 (378 132)

liehe Kopplungswicklungen auf den Magnetkernen anzubringen, wobei über eine Änderung des Stromflusses durch diese Wicklungen das magnetische Feld jedes einzelnen Magnetkerns beeinflußt werden kann bzw. wodurch die beiden Magnetfelder aufeinander abgestimmt werden können.

Mit derartigen Anordnungen lassen sich zwar Abweichungen der Magnetkerne im Nullpunkt oder an einem vorgegebenen Punkt der Arbeitskennlinie vornehmen, da aber mit derartigen Verstärkern Gleichspannungs- bzw. Gleichstromsignale unterschiedlicher Amplitude verstärkt werden und damit der Verstärker durch seinen gesamten Kennlinienbereich ausgesteuert wird, ist eine Kompensation der bekannten Art in nur einem Kennlinienpunkt ungenügend bzw. ist eine Verstärkung von Signalen geringen Pegels auf Grund der relativ großen Nullströme mit den bekannten Magnetverstärkern nicht möglich.

Die Erfindung hat demgemäß die Aufgabe, die Konstruktionsmerkmale einer Magnetverstärkeranordnung anzugeben, welche auf optimal wirtschaftlichste Weise auch kleinste Eingangssignale zu

809 638/1506

verstärken in der Lage ist und bei welcher ein Ab- wicklung geben jeweils die gleiche Spannung ab. An gleich der Magnetkerne über den ganzen Arbeits- der einen Außenanzapfung 104 der Sekundärbereich hinweg gewährleistet ist. wicklung sind über Gleichrichter 100 bzw. 102 die Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch ge- anderen Enden der Lastwicklungen 68 und 70, und löst, daß die beiden Lastwicklungen jedes Magnet- 5 an die andere Außenanzapfung 110 der Sekundärkerns in diesen Magnetkernen Magnetflüsse ent- wicklung sind über Gleichrichter 106 bzw. 108 die gegengesetzter Richtung erzeugen, daß die Eingangs- anderen Enden der Lastwicklungen 66 und 72 anenden von jeweils einer Lastwicklung verschiedener geschlossen. Der Punkt 92 zwischen den Arbeits-Magnetkerne paarweise an die beiden Außen- widerständen 82 und 84 ist mit der Mittelanzapfung anzapfungen der Wechselstromquelle und die Aus- io 112 der Sekundärwicklung verbunden, gangsenden je einer Lastwicklung jedes Paares an die Im folgenden ist die Arbeitsweise der Magnetäußeren Enden von zwei in Reihe geschalteten Verstärkeranordnung 18 unter der Annahme be-Arbeitswiderständen angeschlossen sind, deren ge- schrieben, daß weder an den Steuerwicklungen 56 meinsamer Punkt an eine Mittelanzapfung der und 58 noch an den Rückkopplungswicklungen 78 Wechselstromquelle angeschlossen ist, wobei die 15 und 80 ein Signal anliegt und daß die Vormagnetibeiden Lastwicklungen jedes Paares, deren Ausgangs- sierungswicklungen 74 und 76 nicht erregt sind, enden an einen gemeinsamen Arbeitswiderstand an- Während der positiven Halbperioden der Speisegeschlossen sind, mit ihren Eingangsenden an ent- spannung, d. h., wenn die Außenanzapfung 104 gegengesetzte Außenanzapfungen der Wechselstrom- der Wechselstromquelle 98 gegenüber der Außenquelle angeschlossen sind und daß die Gleichrichter 20 anzapfung 110 positiv ist, leiten die Gleichrichter so angeordnet und gepolt sind, daß der Laststrom 100 und 102 in der in der Figur durch die offenen während jeder Halbwelle jeweils nur über die Last- Pfeile angedeuteten Richtung Strom über die Lastwicklungen des einen oder des anderen Paares fließt. wicklungen 68 und 70 sowie über die Arbeitswider-Durch diese Anordnung wird insbesondere er- stände 82 und 84, welcher zur Mittelanzapfung 112 reicht, daß — auch kleinste — Fehlereinflüsse durch 25 der Wechselstromquelle zurückfließt. Zu diesem Temperaturschwankungen oder Unregelmäßigkeiten Zeitpunkt sperren die Gleichrichter 106 und 108 den der Kennlinien der einzelnen Magnetkerne über den Stromfluß über die Lastwicklungen 66 und 72. ganzen Arbeitsbereich hinweg kompensiert werden, Während der negativen Halbperioden der Speiseohne daß an das zu verwendende Magnetmaterial spannung, d. h., wenn die Außenanzapfung 110 große, unwirtschaftliche Genauigkeitsforderungen 30 der Wechselstromquelle 98 gegenüber der Außengestellt zu werden brauchen. anzapfung 104 positiv ist, sind die Gleichrichter 106 Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Er- und 108 in Durchlaßrichtung geschaltet, so daß der findung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Strom in der durch die vollen Pfeile angedeuteten Die Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild einer Richtung über die Lastwicklungen 66 und 72 und die Magnetverstärkeranordnung mit den Merkmalen der 35 Arbeitswiderstände 82,84 fließt, während die Gleich-Erfindung. richter 100 und 102 in Sperrichtung geschaltet sind Die Magnetverstärkeranordnung 18 stellt einen auf und einen Stromfluß über die Lastwicklungen 68 schwache Signale ansprechenden Magnetverstärker und 70 verhindern.

dar, der zwei Magnetkerne 52 und 54 aufweist, deren Aus den vorstehenden Ausführungen ist es er-

über eine Drossel 60 miteinander in Reihe ge- ₄₀ sichtlich, daß der durch den Magnetfluß im Magnetschalteten Steuerwicklungen 56 bzw. 58 über Ein- kern 52 gesteuerte Teil des Laststroms über den gangsleitungen 50 ein Eingangssignal aufgeprägt Enden 94 und 96 der Arbeitswiderstand-Kombiwerden kann. Auf die Magnetkerne 52 und 54 sind nation ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Polarität jeweils zwei identische Lastwicklungen 66 und 68 sich während jeder Halbperiode der Speisespannung bzw. 70 und 72 aufgebracht. Darüber hinaus weisen ₄₅ ändert und das jederzeit dem Ausgangssignal entdie Magnetkerne 52 und 54 identische Wechselstrom- gegengesetzt ist, welches durch die vom Magnetfluß Vormagnetisierungswicklungen 74 bzw. 76 sowie i_m Magnetkern 54 gesteuerte Laststromkomponente Rückkopplungswicklungen 78 bzw. 80 auf. erzeugt wird. Darüber hinaus wechseln in jeder

Zwei identische Arbeitswiderstände 82 und 84 Halbperiode der Speisespannung die Arbeitswidersind miteinander in Reihe geschaltet und zu zwei 50 stände in der Laststromführung, identischen Kondensatoren 86 bzw. 88 parallel Der Magnetfluß im Magnetkern 52 steuert bei der

geschaltet. Der Verzweigungspunkt 90 zwischen den erfindungsgemäßen Anordnung den Laststromfluß Kondensatoren 86 und 88 ist mit einem Punkt 92 über die Lastwicklungen 66 und 68. Während der zwischen den Arbeitswiderständen 82 und 84 ver- positiven Halbperioden der Speisespannung fließt der bunden. Die einen Enden der Lastwicklungen 66 55 Laststrom über die Lastwicklung 68 und den und 70 sind beide an das obere Ende 94 des Arbeits- Arbeitswiderstand 84 in der durch den offenen Pfeil Widerstands 82, und die einen Enden der Last- angedeuteten Richtung. Wenn sich vom Ende 96 wicklungen 68 und 72 sind an das untere Ende 96 zum Ende 94 der Arbeitswiderstand-Kombination des Widerstands 84 angeschlossen, d. h., die Enden erhöhende Spannungen als positiv angenommen der beiden Lastwicklungen der Magnetkerne sind je- 60 werden, erzeugt dieser Stromfluß über dem Arbeitsweils paarweise über Kreuz an die entgegengesetzten widerstand 84 einen negativen Spannungsabfall, der Enden der Arbeitswiderstand-Kombination ange- an den Ausgangsklemmen 94 und 96 anliegt, schlossen. Andererseits fließt der Laststrom während der

Die Lastwicklungen der Magnetverstärkeranord- negativen Halbperioden des Speisestroms über die nung 18 werden von einer Wechselstromquelle 98 in 65 Lastwicklung 66 und den Arbeitswiderstand 82 in Form einer mit einer Mittelanzapfung 112 ver- solcher Richtung, daß an den Ausgangsklemmen 94 sehenen Sekundärwicklung eines Netz-Transforma- und 96 ein positiver Spannungswert auftritt. Gleichtors gespeist. Die beiden Hälften der Sekundär- zeitig wird der über die Lastwicklungen 70 und 72

5 6

fließende, durch den Magnetfluß im Magnetkern 54 Durch die unterschiedliche Polarität der Spangesteuerte Laststrom in jederzeit der Richtung, in nungsdifferenzen werden auch größere Abweichunwelcher der vom Magnetkern 52 gesteuerte Last- gen eliminiert, so daß der Abgleich in jedem Fall strom fließt, entgegengesetzter Richtung über die gewahrt bleibt.

Arbeitswiderstände 82,84 geleitet. 5 Zu »Änderungen der Umgebungsbedingungen« Wenn die Gleichrichter, die Lastwicklungen, die gehören beispielsweise Schwankungen der Um-Arbeitswiderstände, die Kondensatoren und die gebungstemperatur, Änderungen der physikalischen Wechselstromquelle auf die vorstehend beschriebene Belastung der Magnetkerne, Alterung der Magnet-Weise geschaltet sind, ist der Mittelwert des an den kerne usw. Die durch diese Änderungen hervor-Ausgangsklemmen 114 der Magnetverstärkeranord- io gerufenen, einen Fehlabgleich oder Nullströme benung auftretenden Signals praktisch gleich Null, wirkenden Signale der Magnetkerne werden häufig selbst wenn die Magnetkerne 52 und 54 nicht völlig auch als »Rauschen« bezeichnet. Die erfindungsgleiche Eigenschaften aufweisen, da das von jedem gemäße Magnetverstärkeranordnung trachtet danach, Magnetkern gesteuerte Teilsignal an einem der derartige Rauschsignale über jede volle Periode beiden Arbeitswiderstände jederzeit dem vom 15 der Speisespannung auszugleichen und damit ausanderen Magnetkern gesteuerten Signal am anderen zuschalten. Da die beiden Magnetkerne außerdem Arbeitswiderstand entgegengesetzt gerichtet ist und von derselben Spannungsquelle aus mit Wechseldabei seine Polarität während jeder Halbperiode der strom gespeist werden, haben im Netz auftretende Speisespannung umkehrt. Die an den Arbeitswider- Spannungsspitzen ebenfalls keinen Einfluß auf das ständen auftretenden Spannungsabfälle werden durch so vom Verstärker abgegebene Signal,
die Kondensatoren 86 und 88 geglättet, und es wird Wenn im Betrieb an die Eingangsleitungen 50 deren Mittelwert gebildet, welcher an den Ausgangs- eine Eingangs-Gleichspannung angelegt wird, tritt klemmen 114 der Verstärkeranordnung anliegt. an den Ausgangsklemmen 114 der Magnetverstärker-Falls im Betrieb der Magnetkern 52 infolge ab- anordnung ein Gleichspannungssignal auf, das aus weichender Eigenschaften der beiden Magnetkerne 25 der Mittelwertbildung einer Reihe von Gleichstromzu einem früheren Zeitpunkt der Halbperiode ge- impulsen der doppelten Frequenz der Speisesättigt sein sollte als der Magnetkern 54, wird zwar spannung hervorgeht und dessen Größe und Polariwährend jeder Halbperiode an den Enden 94 und 96 tat von der Größe und der Polarität des eingespeisten eine Differenzspannung der einen oder anderen PoIa- Gleichspannungssignals abhängt,
rität auftreten, doch weist die an der Arbeitswider- 30 Die Steuerwicklungen 56 und 58 sind in solchem stand-Kombination abfallende Spannung während der Sinn auf die Magnetkerne 52 bzw. 54 aufgewickelt, nächsten Halbperiode die umgekehrte Polarität auf, daß der im einen Magnetkern induzierte Steuerso daß während dieser nächsten Halbperiode der Magnetfluß dem im anderen Magnetkern induzierten Speisespannung an den Enden 94 und 96 eine Steuer-Magnetfluß entgegengerichtet ist. Dadurch, Differenzspannung anliegt, deren Absolutbetrag den- 35 daß die Steuerwicklungen in Reihe geschaltet sind, selben Wert hat wie die erste Spannungsdifferenz, heben sich die ihnen durch den seine Richtung deren Polarität jedoch entgegengesetzt ist. Für jede laufend wechselnden Magnetfluß in den Magnetvolle Periode der Speisespannung ist daher der kernen induzierten Speisefrequenz-Spannungen ge-Mittelwert dieser Differenzspannungen gleich Null. genseitig auf und werden nicht auf die Gleich-Da die an den Ausgangsklemmen 114 der Magnet- 40 Spannungsquelle übertragen. Die Drossel 60 besitzt Verstärkeranordnung 18 auftretende Spannung dem eine hohe Impedanz für die zweite und für höhere Mittelwert der während einer ganzen Periode an den Harmonische der Speisefrequenz und verhindert, Arbeitswiderständen 82, 84 erzeugten Spannung ent- daß Spannungen dieser Frequenzen auf die Gleichspricht, ist die Ausgangsspannung unabhängig von Spannungsquelle übertragen werden.
Differenzen der Magnetkerne gleich Null. 45 Die Vormagnetisierungswicklungen 74 und 76 der Darüber hinaus bleibt die Magnetverstärker- Magnetkerne 52 bzw. 54 sind in Reihe an die eine anordnung 18 auch bei etwa unterschiedlichem An- Außenanzapfung 110 der Wechselstromquelle 98 ansprechverhalten der Magnetkerne 52 und 54, bei geschlossen und bewirken auf diese Weise eine Änderungen der Umgebungsbedingungen, wie Tem- Wechselstrom-Vormagnetisierung der jeweiligen peratur- oder Belastungsschwankungen, oder bei 50 Magnetkerne. An die Vormagnetisierungswicklung einer Alterung des Kernmaterials innerhalb genau 74 ist ein Widerstand 116 angeschlossen, welcher die festgelegter Grenzen abgeglichen. richtige Amplitude und die richtige Phasenlage der Dieser konstante und dynamische Abgleich wird, Vormagnetisierungsspannung gegenüber der an die wie beschrieben, dadurch erreicht, daß Änderungen Lastwicklungen angelegten Spannung gewährleistet, der Umgebungsbedingungen die magnetischen Eigen- 55 ^Diese Vormagnetisierungswicklungen dienen zur Erschaften jedes Magnetkerns während der positiven höhung des Verstärkungsgrads des Verstärkers durch Halbperioden des Magnetflusses auf dieselbe Weise Erzeugung eines Magnetflusses, welcher den durch beeinflussen wie während der negativen Halb- die Lastwicklungen in dem betreffenden Kern erperioden. Wenn derartige Änderungen beispiels- zeugten Magnetfluß unterstützt,
weise eine Änderung der Permeabilität des einen 60 Die Rückkopplungswicklungen 78 und 80 können Magnetkerns bewirken, so daß dieser während der dazu verwendet werden, die übliche Magnetpositiven Halbperioden zu einem früheren Zeitpunkt verstärker-Rückkopplung vorzunehmen,
gesättigt wird, dann wird dieser Magnetkern in den Die Magnetkerne 52 und 54, ihre Wicklungen sodarauffolgenden negativen Halbperioden ebenfalls wie die Drossel 60 sind sämtlich in einer Abum denselben Phasenwinkel früher gesättigt. Dieser 65 schirmung 62 angeordnet, die mit dem geerdeten Kern bringt somit während jeder vollen Periode eine Gehäuse verbunden ist, um die Streukapazitäten positive als auch eine gleiche negative Abweichung zwischen den beiden Enden der Drossel und dem des Ausgangssignals hervor. Gehäuse auszugleichen.

Zwischen die Eingangsleitungen 50 sind zwei identische Kondensatoren 64 hintereinandergeschaltet, deren innerer Verbindungspunkt ebenfalls an Masse liegt. Diese Kondensatoren bilden eine Ableitung für unerwünschte Wechselstromsignale, wie Brummspannungen und sonstige Streueinflüsse.

Ein Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Magnetverstärkeranordnung 18 gegenüber den herkömmlichen Magnetverstärkern besteht darin, daß die bisher erforderliche genaue Anpassung der verwendeten Magnetkerne aneinander nicht nötig ist. Außerdem ist es möglich, billigere Magnetkerne mit größerer Toleranz zu verwenden, als sie bisher benötigt wurden. Die Erfindung ermöglicht somit, mit vergleichsweise niedrigen Herstellungskosten einen im ganzen Arbeitsbereich stabil ausgeglichenen Magnetverstärker zu schaffen, welcher äußerst schwache Eingangssignale zu verstärken vermag und dabei einen extrem niedrigen Rauschpegel aufweist.

Claims (1)

1. 20 Patentansprüche:

   1. Magnetverstärkeranordnung mit zwei Magnetkernen, von denen jeder mindestens eine an einen Steuersignaleingang angeschlossene Steuerwicklung und zwei an eine gemeinsame Wechselstromquelle angeschlossene Lastwicklungen mit jeweils einem Eingangs- und einem Ausgangsende aufweist, und mit Gleichrichtern, welche den Laststrom in den einzelnen Halbwellen der Wechselspannung über unterschiedliche Last- 3» wicklungen fließen lassen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lastwicklungen (66, 68 bzw. 70, 72) jedes Magnetkerns (52 bzw. 54) in diesen Magnetkernen Magnetflüsse entgegengesetzter Richtung erzeugen, daß die Eingangsenden von jeweils einer Lastwicklung verschiedener Magnetkerne paarweise (66,72 bzw. 68, 70) an die beiden Außenanzapfungen (UO bzw. 104) der Wechselstromquelle (98) und die Ausgangsenden je einer Lastwicklung (66, 70 bzw. 68,72) jedes Paares an die äußeren Enden (94bzw.

   96) von zwei in Reihe geschalteten Arbeitswiderständen (82 bzw. 84) angeschlossen sind, deren gemeinsamer Punkt (92) an eine Mittelanzapfung (112) der Wechselstromquelle angeschlossen ist, wobei die beiden Lastwicklungen (66, 70; 68, 72) jedes Paares, deren Ausgangsenden an einen gemeinsamen Arbeitswiderstand (82; 84) angeschlossen sind, mit ihren Eingangsenden an entgegengesetzte Außenanzapfungen der Wechselstromquelle angeschlossen sind, und daß die Gleichrichter (100, 102, 106, 108) so angeordnet und gepolt sind, daß der Laststrom während jeder Halbwelle jeweils nur über die Lastwicklungen des einen oder des anderen Paares (66, 72 oder 68, 70) fließt.

   2. Magnetverstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Mittelwertbildung der während jeder vollen Periode über den Arbeitswiderständen (82, 84) anliegenden Spannung vorgesehen ist.

   3. Magnetverstärkeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Magnetkern (52, 54) eine Rückkopplungswicklung (78, 80) aufweist und daß die beiden Rückkopplungswicklungen in Reihe geschaltet sind.

   4. Magnetverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkerne (52, 54) je eine Vormagnetisierungswicklung (74,76) aufweisen, welche beide miteinander in Reihe geschaltet und an die Außenanzapfungen (104,110) der Wechselstromquelle (98) angeschlossen sind.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschrift Nr. 973 243;

   Wissenschaftliche Veröffentlichungen aus den Siemens-Werken, Bd. 19, Jahrgang 1940, H. 3, S. 229 bis 233;

   Buch von Ulrik Krabbe, »The Transductor Amplifier«, Schweden 1947, S. 29 und 30.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   809 638/1506 11.68 © Bundesdruckerei Berlin