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Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungsverstärker, bei dem die
Meßspannung mittels eines Modulators in ein Wechselspannungssignal umgewandelt und
einem Wechselspannungsverstärker zugeführt wird und bei dem die Trägerfrequenz als
Störspannung in den Meßkreis eingestreut wird. Derartige Gleichspannungsverstärker
nach dem Trägerfrequenzprinzip, auch Chopper- oder Zerhackerverstärker genannt,
sind in zahlreichen Ausführungen bekannt, beispielsweise mit mechanischen Zerhackern,
Transistoren, Fotowiderständen, Kapazitätsdioden und in neuester Zeit auch mit magnetfeldabhängigen
Widerständen. Alle diese Verstärker haben den Nachteil, daß in den Meßkreis die
Trägerfrequenz als Störspannung eingestreut wird, so daß zufällige Änderungen der
Störspannung, z. B. infolge Temperaturänderungen, eine Änderung des Nullpunktes
des Verstärkers zur Folge haben. Zwar ist es möglich, durch eine phasenabhängige
Gleichrichtung die Störspannung, die gegen die modulierte Gleichspannung um 90°
phasenverschoben ist, zu eliminieren. Jedoch ist es erwünscht, auch diese Störspannung
schon am Eingang des Wechselspannungsverstärkers oder zumindest nach einer der ersten
Verstärkerstufen zu unterdrücken, insbesondere bei hochempfindlichen Nullindikatoren,
da sie zu einer Übersteuerung des Verstärkers führen kann.
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Derartige Störspannungen können z. B. bei Modulatoren mit magnetisch
gesteuerten Widerständen auftreten. Bekanntlich nimmt der Wert derartiger Widerstände
mit der magnetischen Feldstärke, also mit dem Spulenstrom, zu, so daß die modulierte
Gleichspannung mit dem Spulenstrom in Phase liegt. Die in den Meßkreis induzierte
Spannung ist dagegen von der zeitlichen Änderung des magnetischen Feldes linear
abhängig, ist also bei sinusförmigen Strömen um 90° gegen die modulierte Spannung
phasenverschoben.
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Es ist ein Hauptziel der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen,
mit der gegen die modulierte Gleichspannung um 90° phasenverschobene Störspannungen
kompensiert werden können. Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß
der Wechselspannungsverstärker zusätzlich an die eine Diagonale einer Brücke angekoppelt
ist, deren andere Diagonale mit einer gegen die modulierte Wechselspannung um 90°
phasenverschobenen Wechselspannung gespeist ist und die mindestens einen magnetfeldabhängigen
Widerstand enthält, der in dem von einem konstanten Magnetfeld überlagerten Feld
einer Steuerspule angeordnet ist, die von einem Gleichstrom durchflossen ist, der
in einem am Ausgang des Wechselspannungsverstärkers angeschlossenen, mit einer gegen
die verstärkte modulierte Wechselspannung um 90° phasenverschobenen Referenzspannung
gespeisten phasenabhängigen Gleichrichter erzeugt wird. Dies ist z. B. bei Modulatoren
mit magnetisch gesteuerten Widerständen der Fall. Bekanntlich nimmt der Wert derartiger
Widerstände mit der magnetischen Feldstärke, also mit dem Spulenstrom, zu, so daß
die modulierte Gleichspannung mit dem Spulenstrom in Phase ist. Die in den Meßkreis
induzierte Spannung ist dagegen von der zeitlichen Änderung des magnetischen Feldes
linear abhängig, ist also bei sinusförmigen Strömen um 90° gegen die modulierte
Spannung phasenverschoben.
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An Hand der Zeichnung, in der als Ausführungsbeispiel der Erfindung
ein hochempfindlicher Nullindikator mit kurzer Ansprechzeit dargestellt ist, werde
die Erfindung im folgenden näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt das Prinzipschaltbild des Nullindikators; F i g. 2
und 3 stellen je eine Schaltung zur Kompensation der in den Meßkreis induzierten
Störspannung dar; F i g. 4 zeigt einen phasenabhängigen Gleichrichter mit magnetfeldabhängigen
Widerständen.
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Mit M ist in F i g. 1 ein Meßkreis bezeichnet, der aus zwei magnetisch
steuerbaren Halbleiterwiderständen Hl und H2 und einem Übertrager 01 gebildet wird.
Die magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstände bestehen aus einem Material mit großer
Elektronenbeweglichkeit, vorzugsweise aus Indium-Antimonid mit gerichtet eingebauten,
gut leitenden, nadelförmigen Einschlüssen, vorzugsweise aus Nickel-Antimonid, wobei
der Anteil der NiSb-Einschlüsse vorzugsweise 1,8 Gewichtsprozent beträgt. Die magnetfeldabhängigen
Halbleiterwiderstände H1 und H2 befinden sich in den Feldern von Spulen L1 und L2,
die wechselweise erregt werden, so daß die Meßgleichspannung, die über Klemmen -Z1
und E2 zugeführt wird, in eine Wechselspannung-umgeformt wird. Die so erzeugte Wechselspannung,
deren Amplitude der angelegten Meßgleichspannung proportional ist, wird mit dem
Übertrager U1 mit den Primärwicklungen P1 und P2 und der Sekundärwicklung S1 einem
selektiven Wechselstromverstärker V1 zugeleitet.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Spulen L1 und L2,
deren Felder die Halbleiterwiderstände H1 und H2 beeinflussen, über Gleichrichter
D1 und D2 aus einer Wechselspannungsquelle Q gespeist. Die Gleichrichter D1 und
D2 sind dabei derart gepolt, daß die Spulen L1 und L2 abwechselnd mit einer Halbwelle
des von der Quelle Q gelieferten Wechselstromes erregt werden. Zur Erregung genügt
eine Wechselspannung geringer Höhe, z. B. unter 15 V.
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Modulatoren mit magnetisch gesteuerten Widerständen haben gegenüber
solchen mit anderen gesteuerten Elementen verschiedene Vorteile. Mechanische Zerhacker
und Fotozerhacker weisen eine große Trägheit auf und sind daher für rasch ansprechende
Nullindikatoren nicht geeignet. Nullindikatoren und Gleichspannungsverstärker mit
Transistorzerhackem oder mit Kapazitätsdioden besitzen zwar eine hinreichend kurze
Einstellzeit, sind aber infolge der großen temperaturabhängigen Strom-und Spannungsfehler
zu unempfindlich. Ein Nullindikator oder Gleichspannungsverstärker mit magnetisch
gesteuerten Widerständen hat bei kurzer Einstellzeit eine sehr gute Nullpunktstabilität
und ist vollkommen verschleißfrei, lagenunabhängig und erschütterungsunempfindlich.
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Das in dem Wechselspannungsverstärker V1 verstärkte Signal wird dem
phasenabhängigen Gleichrichter G1 zugeführt, der seine Referenzspannung vom Oszillator
Q erhält. An Ausgangsklemmen A1 und A2 steht eine Ausgangsspannung UAus zur Speisung
von Stellgliedem, Spannungsdiskriminatoren od. ä. zur Verfügung.
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Die Magnetfelder der Erregerspulen L1 und L2 induzieren in dem Meßkreis
M eine Störspannung, die dieselbe Frequenz wie die modulierte Gleichspannung hat,
deren Phase aber gegenüber dieser um 90° verschoben ist. Diese Störspannung nimmt
mit wachsender Frequenz zu und kann bei Frequenzen von 10 kHz bis 1 MHz so groß
werden, daß sie
den Verstärker V1 übersteuert und der Nullindikator
ausfällt. In dem Ausführungsbeispiel wird dies dadurch verhindert, daß am Ausgang
des Verstärkers V1 ein zweiter phasenabhängiger Gleichrichter G, angeschlossen ist,
der über ein die Phase um 90° drehendes Netzwerk N aus dem Oszillator
Q gespeist wird. Die Ausgangsgleichspannung dieses Gleichrichters G." die
proportional der induzierten Störspannung@ist, wird über einen Verstärker V2 den
hintereinandergeschalteten Spulen L3 und L4 zugeführt, in deren Luftspalt ein der
Störspannung proportionales Magnetfeld erzeugt wird. In diesen Magnetfeldern der
Spulen L3 und L4 sind zwei magnetisch steuerbare Widerstände H3 und H4 angebracht,
die mit den ohmschen Widerständen R5 und R6 eine Brückenschaltung B bilden. Die
Magnetfelder der Spulen L3 und L4 sind von einem konstanten Magnetfeld der Spulen
L3 und L4', die zweckmäßig mit der Spule 4, bzw. L4 auf einem gemeinsamen Kern gewickelt
sind, überlagert. Die SpulenL3 und L4 sind so gepolt, daß z. B. bei dem einen magnetfeldabhängigen
Widerstand H3 sich das Feld der Spule L3 zum Feld der Spule L3 addiert und daß sich
bei dem Widerstand H4 das steuernde Magnetfeld von dem konstanten Magnetfeld subtrahiert,
oder umgekehrt, wenn sich die Richtung des Stromes; der durch die Spulen L3 und
L4 fließt, ändert. Die aus den magnetfeldabhängigen Widerständen H3 und H4 und den
Widerständen R5 und R6 bestehende Brückenschaltung B wird aus dem Oszillator
Q über das phasendrehende Netzwerk N ebenfalls mit einer gegen die modulierte
Gleichspannung um 90° in der Phase verschobenen Wechselspannung gespeist. Mit dem
übertrager ü, wird die Diagonalspannung der Brücke B dem Eingang des Trägerfrequenzverstärkers
V, zugeführt. Die Störwechselspannung erzeugt über den phasenabhängigen Gleichrichter
G2 und den Gleichstromverstärker V2 eine entsprechende Verstimmung der Brücke B,
wodurch dem Eingangskreis des Verstärkers V1 eine Wechselspannung zur Kompensation
der induzierten Störspannung zugeführt wird.
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In F i g. 2 ist eine Anordnung dargestellt, bei der die Brücke B zwei
magnetfeldabhängige Halbleiterwiderstände H,, H6 und den beiden Primärwicklungen
eines Differentialübertragers t'3 aufgebaut ist. Weiter kann auch nur ein magnetfeldabhängiger
Halbleiterwiderstand H7 vorgesehen sein, der in einer Brückenschaltung angeordnet
ist oder mit einem übertrager 04 in Reihe liegt, wie es in F i g. 3 dargestellt
ist. In der Anordnung nach F i g. 3 wird eine Erregerwicklung L7 über ein die Phase
des Erregerwechselstromes um 90° drehendes Netzwerk gespeist, während die Ausgangsgleichspannung
des Verstärkers V, der Serienschaltung des magnetfeldabhängigen Widerstandes H7
und des übertragers U4 zugeführt wird. über die Sekundärwicklung von U4 wird die
Kompensationswechselspannung dem Erregerkreis des Wechselspannungsverstärkers V1
zugeführt. Die phasenrichtigen Gleichrichter G1 und G, sind als ein weiteres
Merkmal der Erfindung ebenfalls mit magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderständen
aufgebaut, wodurch eine gute Linearität der Gleichrichtung auch bei sehr kleinen
Wechselspannungen und eine weitgehende Temperaturunabhängigkeit erzielt werden.
In der F i g. 4 ist eine Ausführungsform eines phasenrichtigen Gleichrichters mit
magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderständen dargestellt. An Klemmen E3, E4 wird
die Ausgangswechselspannung UAus des Wechselspannungsverstärkers V1 angelegt, die
über einen Differentialübertrager i3, an eine Brückenschaltung geführt wird, die
aus den Sekundärwicklungen S4, SS und zwei magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderständen
H8 und H9 gebildet wird. An der Diagonale A5, A8 der Brücke wird an dem Lastwiderstand
RL die Ausgangsgleichspannung abgenommen. Die magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstände
He und H9 sind in Luftspalten von Magnetjochen angeordnet, welche die Erregerwicklungen
L, und L9 tragen. Die Erregerwicklungen werden über zwei antiparallel gepolte Dioden
D3 und D4 mit der Referenzspannung UT,f, die an die Klemmen E5, E6 angelegt wird,
erregt. Die Referenzspannung U.ef wird aus dem Oszillator Q direkt dem Gleichrichter
G1 oder über ein Phasendrehglied G2 zugeführt.