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DE3008583A1 - Impulstransformator - Google Patents

Impulstransformator

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DE3008583A1
DE3008583A1 DE19803008583 DE3008583A DE3008583A1 DE 3008583 A1 DE3008583 A1 DE 3008583A1 DE 19803008583 DE19803008583 DE 19803008583 DE 3008583 A DE3008583 A DE 3008583A DE 3008583 A1 DE3008583 A1 DE 3008583A1
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bme
pulse transformer
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pulse
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Gerhard Ing.(grad.) 7534 Birkenfeld Waldhauer
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Doduco Solutions GmbH
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Doduco GmbH and Co KG Dr Eugen Duerrwaechter
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Description

Beschreibung
Die Erfindung geht aus von einem Impulstransformator mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Bekannte Impulstransformatoren sollen aus einer dem Transformatoreingang eingespeisten Wechselspannung eine am Transformatorausgang verfügbare Impulsfolge erzeugen, deren Impulse möglichst steil, hoch und kurz sein sollen. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Zündung von Thyristoren und Triacs, sofern dort aus Sicherheitsgründen (Berührungsschutz) eine galvanische Trennung erforderlich ist.
Es sind verschiedene Bauarten von Impulstransformatoren bekannt. Bei einer bekannten Bauart wird der Transformator mit sinusförmiger Spannung an den Klemmen der Primärwicklung gespeist. Die Sekundärwicklung wird an einer Stelle des magnetischen Kreises mit besonders kleinem Querschnitt aufgebracht, die also rasch gesättigt ist. Eine weitere Magnetflußzunahme kann dann nur über den Streuweg der Luft erfolgen.
Bei einem anderen bekannten Impulstransformator verwendet man einen Kern mit ausgeprägter Sättigung, z.B.· aus Mu-Metall.
130037/0532 " 4 "
OOPY
Seine Primärwicklung wird über eine Eisendrossel an eine sinusförmige Netzspannung angeschlossen.
In beiden Fällen ergibt sich in der Sekundärwicklung ein etwa trapezförmiger Flußverlauf und die sekundär induzierte Spannung zeigt infolgedessen ausgeprägte Impulse.
Solche Zündtransformatoren sind naturgemäß recht aufwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Impulstransformator mit galvanischer Trennung zu schaffen, der auf einfache Weise kurze und hohe, von Störanteilen weitgehend freie Impulse erzeugt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einem Impulstransformator mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
130037/0532 COPY
ΛIk bistabile magnetische Elemente, auch als bistabile magnetische Schaltkerne bezeichnet, eignen sich vor allem sogenannte W.iocjand-Dr.'ihte, deren Aufbau und Herstellung in der DE-OS 21 47 7?f> beschrü be η ."»Ind. Wiegand—Drähte sind-in ihrer Zusammensetzung homogene, ferromagnetische Drähte (z.B. aus einer Legierung von Eisen und Nie! vorzugsweise 48 % Eisen und 52 % Nickel, oder aus einer Legierung v< Eisen und Kobalt, oder aus einer Legierung von Eisen mit Kobalt und Nickel, oder aus einer Legierung von Kobalt mit Eisen und Vanadium, vorzugsweise b2 % Kobalt, 38 % Eisen'und 10 % Vanadium), die infolgi einer besonderen mechanischen und thermischen Behandlung einen woicl magnetischen Kern und einen hartmagnetischen Mantel besitzen, d.h. der Mantel besitzt eine höhere Koerzitivkraft als der Kern. Wiegan« Drähte haben typisch eine Länge von 5 bis 50 mm, vorzugsweise von 20 bis 70 mm. Bringt man einen Wiegand-Draht, bei dem die Mannetisii runqsrichtung des weichmaqnetischen Kerns mit der Magnetisierunqsrichtung des .hartmagnetischen Mantels übereinstimmt, in ein äui'-eres Ragnetfeld, dessen Richtung mit der Richtung der Drahtachso übereinstimmt, der Magnetisier'ingsrichtung des Wiegand-Drahtes aber ontqegi gesetzt ist, dann wird 'iei Überschreiten einer Feldstärke von ca. 1(j Λ/cm die Magneti.sierungsrichtung des weichen Kerns des Wiegcind-Drahtes umgekehrt. I'lese Umkehrung wird auch als Rückstellung bezeichnet. Bei erneuter Richtungsumkehr des äußeren Magnetfeidos kein sich die Magnet-i sierungr.richtung des Korns bei Überschreiten einer kritischen Feldstärke des äußeren Magnotfeldes erneut um, so dall dei Kern und der Mantel wieder parallel magnetisiert sind. Diese Unkehr1 der MagnetisierunqsrichLung erfolgt sehr rasch, und geht mit einer e: .'.prochond starken Änderung des magnetischen Kral:tflnssos pro !'-Mt-
— ο —
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BAD ORIGINAL
einheit einher (Wiegand-Effekt). Diese Änderung des Kraftflusses kann in einer Induktionsspule einen kurzen und sehr hohen (jar nach Windungszahl und Belastungswiderstand der Induktionsspule bis ca. 12 Volt) Spannungsimpuls induzieren (Wiegand-Impuls)·
Auch beim Zurückstellen des Kerns wird ein Impuls in einer Induktionsspule erzeugt, allerdings mit wesentlich geringerer Amplitude und umgekehrtem Vorzeichen als im Falle des Umklappens von der antiparallelen in die parallele Magnetisierungsrichtung.
Wählt man als äußeres Magnetfeld ein Wechselfeld, welches in der Lage ist, zuerst den Kern und danach auch den Mantel umzumagnetisieren und jeweils bis in die magnetische Sättigung zu bringen,so treten Wiegand-Impulse infolge des Umklappens der Magnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Kerns abwechselnd mit positiver und negativer Polarität auf und man spricht von symmetrischer Erregung des Wiegand-Drahtes. Dazu benötigt man Feldstärken von ca. -(80 bis 120 A/cm) bis +(00 bis 120 A/cm). Das Ummagnetisieren des Mantels erfolgt ebenfalls spruncjhaft und führt ebenfalls zu einem Impuls in der Induktionsspule, jedoch ist der Impuls wesentlich kleiner als der beim Umklappen des Kerns induzierte Impuls und wird zumeist nicht ausgewertet.
Wählt man jedoch als äußeres Magnetfeld ein solches, welches nur in der Lage ist, den weichen Kern, nicht aber den harten Mantel in seiner Magnetisierungsrichtung umzukehren, dann treten die hohen Wiegand-Impulse nur mit gleichbleibender Polarität auf und man spricht von asymmetrischer Erregung des Wiegand-Drahtes. Dazu benötigt man in der einen Richtung eine Feldstärke von wenigstens 16 A/cm (für die Rückstellung des Wiecjand-Drahtes) und in der umgekehrten Richtung eine Feldstärke von ca- 80 bis 120 A/cm.
: „:·■ 130037/0532 CQpy _ η _
Charakteristisch für den Wiegand-Effekt ist, daß die durch ihn erzeugten Impulse in Amplitude und Breite weitgehend unabhängig sind von der Änderungsgeschwindigkeit des äußeren Magnetfeldes und ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufweisen.
Für die Erfindung geeignet sind auch anders aufgebaute bistabile magnetische Elemente, wenn diese zwei magnetisch miteinander gekoppelte Bereiche von unterschiedlicher magnetischer Härte (Koerzitivkraft) besitzen und in ähnlicher Weise wie Wiegand-Orähte durch induziertes, rasch erfolgendes Umklappen des weichmagnetischen Bereichs zur Impulserzeugung verwendet werden können. So ist zum Beispiel aus der DE-PS 25 14 131 ein bistabiler magnetisi Schaltkern in Gestalt eines Drahtes bekannt, der aus einem hartmagnetischen Kern (z.B. aus Nickel-Kobalt), aus einer darauf abgeschiedenen elektrisch leitenden Zwischenschicht (z.B. aus Kupfer) und aus einer hierauf abgeschieden weichmagnetischen Schicht (z.B. aus Nickel-Eisen) besteht. Eine andere Variante verwendet zusätzlich einen Kern aus einem magnetisch nicht leitenden metallischen Innenleiter (z.B. aus Beryllium-Kupfer), auf den dann die hartmagnetische Schicht, darauf die Zwischenschicht und darauf die weichmagnetische Schicht abgeschieden werden. Dieser bekannte bistabile magnetische Schaltkern erzeugt allerdings geringere Schaltimpulse als ein Wiegand-Draht.
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ORIGINAL INSPECTED
Der Impulstransformator kann - je nach Verwendungszweck - mit symmetrischer oder asymmetrischer Erregung des BME betrieben werden. Bei symmetrischer Erregung wird im Falle der Lösung des Anspruchs 1 die Primärwicklung (Erregerwicklung) am einfachsten mit einem sinusförmigen Wechselstrom gespeist. Es ist einer der Vorteile der Erfindung, daß der erregende Wechselstrom aber auch beliebige andere Kurvenformen haben kann. Voraussetzung für die symmetrische Erregung ist lediglich, daß das von der Primärwicklung am Ort' des BME erzeugte Magnetfeld Werte erreicht, die für die symmetrische Erregung des BME
ausreichen; bei Wiegand-Drähten benötigt man dafür Feldstärken H von ca. +_ (80 bis 120) A/cm. Während bei symmetrischer Erregung der Impulstransformator eine Impulsfolge mit alternierender Polarität liefert, liefert er bei asymmetrischer Erregung nur Impulse von gleichbleibender Polarität. Auch bei asymmetrischer Erregung benötigt man am Ort des BME ein magnetisches Wechselfeld, welches jedoch in der einen Richtung nur so stark zu sein braucht, daß es die zum magnetischen Rückstellen des BME (Umpolen des weichmagnetischen Bereichs des BME von - bezogen auf die Magnetisierungsrichtung des hartmagnetischen Bereichs - der parallelen in die antiparallele Orientierung) benötigte Feldstärke HR erbringt, die bei Wiegand-Drähten ca. -16 A/cm beträgt. In der anderen Richtung benötigt man Feldstärken, die das BME wieder durch Umpolen seines weichmagnetischen Bereichs
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in den Zustand der parallelen Magnetisierung überführen können; bei Wiegand-Drähten benötigt man dafür eine Feldstärke von ca. H = 80 bis 120 A/cm. Das asymmetrische magnetische Wechsel-
feld kann man dadurch erzeugen, daß man entweder dem erregenden Wechselstrom eine Gleichstromkomponente überlagert, die geringer ist als der Scheitelwert der Wechselstromkomponente, oder man speist die Primärwicklung mit einem mehr oder weniger symmetrischen Wechselstrom und überlagert dem dadurch am Ort des BME erzeugten magnetischen Wechselfeld ein dazu paralleles aber schwächeres magnetisches Gleichfeld, z.B. indem man neben dem BME einen geeignet dimensionierten Dauermagneten anordnet.
Die Verwendung eines BME als Kern eines Impulstransformators hat ferner den Vorteil, daß die Impulsbreite und Impulshöhe von der Form und Frequenz des erregenden Wechselstromes nahezu unabhängig sind. Auch sonstige Umgebungseinflüsse, vor allem die Temperatur, haben keinen nennenswerten Einfluß auf die Impulserzeugung. Bei Verwendung von Wiegand-Drähten als BME liegt die Halbwertsbreite der Impulse bei 20 ,us.
In den meisten Fällen kann daher der beim Umklappen der Magnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Bereichs von der antiparallelen in die parallele Magnetisierungsrichtung erzeugte Impuls ohr weitere Aufbereitung unmittelbar zur Steuerung verwendet werden. I
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ORIGINAL INSPECTED
bei asymmetrischer Erregung beim Umk Lappen der Magnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Berei :hs Ln den Zustand antiparalleler Magnetisierung beider Bereiche entstehende Impuls ist sehr viel kleiner als der beim Umklappen der Mugnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Bereichs in die parallele Orientierung entstehende Impuls; bei symmetrischer Erregung ist der beim Umklappen
des hartmagnetischen Bereichs erzeugte Impuls wesentlich kleiner als der beim Umklappen des weichmagnetischen Bereichs erzeugte Impuls; der jeweils kleinere Impuls kann daher - falls erforderlich - durch eine einfache Diskriminatorschaltung unterdrückt werden.
Neben diesen Vorteilen steht die besondere Einfachheit des Impulstransformators in seinem Aufbau. Ein Wiegand-Draht hat typisch eine Länge von 5 bis 50, vorzugsweise 20 - 30 mm. Mit den beiden Wicklungen erreicht er einen Durchmesser von ca. 1-2 mm. Diese Anordnung wird noch in ein geeignetes Kunstharz eingebettet und ist dann ein sehr kompaktes, robustes, leistungsfähiges Bauelement.
Zur Erzielung einer hohen Signalausbeute wird als BME vorzugsweise ein Wiegand-Draht verwendet, den die Primär- und die Sekundärwicklung umgeben (Ansprüche 2 bis 4).
Der erfindungsgemäße Impulstransformator eignet sich in hervorragender Weise auch zum Verändern der Phasenlage der erzeugten Impulse, was beim Ansteuern von Thyristoren und Triacs von essentieller Bedeutung ist. Bei bekannten Steuerungen von Thyristoren
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ORIGINAL INSPECTFn
und Triacs erfolgt die Phasenverschiebung der Impulse z.B. durch Verwendung einer Phasenbrücke oder eines Drehtransformator
in Verbindung mit einem Impulstransformator. Diese Art der Phasenverschiebung der Impulse ist aufwendig.
Die Erfindung bewirkt die Änderung der Phasenlage-elegant dadurch, daß als dritte Wicklung eine Gleichstromwicklung vorgesehen wird, welche magnetisch mit dem BME gekoppelt ist (Anspruch 5). Diese dritte Wicklung erzeugt ein magnetisches Gleichfeld, welches sich am Ort des BME dem von der Pijrmärwicklung erzeugten magnetischen Wechselfeld überlagert. Da die Feldstärken, die zur symmetrischen oder asymmetrischen Erregung des BME zur Impulserzeugung nötig sind,einen vorgegebenen Wert besitzen, verschiebt sich im Vergleich zum reinen Wechselfeld die Phasenlage der im BME erzeugten Impulse innerhalb jeder Periode des erregenden Wechselstromes durch die Addition oder Subtraktion eines (bezogen auf die Periodendauer des erregenden Wechselstroms) atatischen oder quasistatischen magnetischen Gleichfeldes, wobei die Beziehung zwischen der Phasenlage und der Stärke des in die dritte Wicklung eingespeisten Gleichstromes linear ist, wenn als Wechselstrom ein solcher mit Sägezahnform verwendet wird (Anspruch 9). Aber auch bei Verwendung eines sinusförmigen Wechselstroms zur Erregung des BME ist die Beziehung zwischen der Phasenlage der Impulse und der Stärke des Gleichstromes in der (!ritten Wicklung noch einfach (Anspruch 8).
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ORIGINAL INSPECTED
Zur Erzielung einer engen Kopplung zwischen dem BME und der dritten Wicklung ist auch die dritte Wicklung vorzugsweise um das BME herumgelegt (Anspruch 6).
Das statische oder quasistatische magnetische Gleichfeld am
Ort des BME könnte auch durch einen Dauermagneten erzeugt werden, wobei die Änderung der Stärke des Gleichfeldes am Ort des BME entweder durch Entfernen oder Annähern des Dauermagneten oder bei ruhendem Dauermagneten durch Annähern und Entfernen eines ferromagnetischen Gegenstandes, der das Feld des Dauermagneten deformiert, geschehen kann.
Die beigefügten Zeichnungen zeigen schematisch zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung.
F i g . 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Impulstransformator mit Wiegand-Draht im Steuerkreis eines Thyristors,
F i g . 2 zeigt eine Darstellung entsprechend Fig. 1, jedoch mit einer dritten Wicklung des Wiegand-Drahtes zur
Phasenschiebung,
F i g . 3 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Phasenverschiebung der Impulse eines Wiegand-Drahtes bei
sinusförmigem Erregerstrom, und
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F i g . 4 zeigt ein Diagramm entsprechend Fig. 3 bei sägezahnförmigem Erregerstrom.
Fig. 1 zeigt einen Thyristor 5, in dessen Lastkreis der Widerstand R liegt. Das Gate 6 und die Kathode 7 des Thyristors 5 sind mit der Sekundärwicklung 2 eines Impulstransformators verbunden, der aus einem Wiegand-Draht 1 besteht, der einerseits von einer Primärwicklung 3 und andererseits von der Sekundärwicklung umgeben ist. Die Primärwicklung wird von einer Wechselstromquelle gespeist, die den Wiegand-Draht 1 symmetrisch erregt und in jeder Halbwelle des Wechselstroms in eier Sekundärwicklung 2 einen Wiegand-Impuls erzeugt.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel stimmt mit dem aus Fig. 1 überein bis auf die zusätzliche Gleichstromwicklung auf dem Wiegand-Draht 1, welche an eine steuerbare Gleichstromquelle 9 angeschlossen ist und ein statisches oder quasistatisches Magnetfeld erzeugt, welches dem Magnetfeld der Primärwicklung überlagert wird. Die daraus sich ergebende Wirkung wird anhand der Fig. 3 und Fig. 4 erläutert.
Die Fig. 3 und 4 erläutern den Vorgang der Phasenverschiebung von Wiegand-Impulsen 10 bei asymmetrischer Erregung. Die Primärwicklung (Erregerwicklung) erzeugt am Ort des Wiegand-Drahtes das magnetische Wechselfeld
(I) H^- Ho · sincJt, (Fig. 3)
OOPY _ 14 _
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ORIGINAL INSPEOTFn
worin H die magnetische Feldstärke, H seine Amplitude, a> die Kreisfrequenz und t die Zeit ist. Durch Überlagerung mit einem magnetischen Gleichfeld der Stärke -H erhält man ein resultierendes Magnetfeld mit dem zeitlichen Verlauf
(II) H - H . sincot - H
O B
Die Erzeugung eines Wiegand-Impulses erfolgt gleichbleibend bei der Feldstärke
(ITI] H - Hz,
welche nachfolgend auch als Zündfeldstärke H„ bezeichnet wird. Die zugehörige Phasenlage cot - cpz des Wiegand-Impulses 10 ergibt sich nach Zusammenfassung von (II) und (III) zu
(IV)
sin ω „ a H„ + H
1 Δ ζ
H
ο
Bei Verwendung einer Sägezahnform für den erregenden Wechselstrom gemäß Fig. 4 mit vertikaler Flanke erhält man demgegenüber einen linearen Zusammenhang zwischen der Phasenlage m des Wieqand-Impulses 10 und der Feldstärke des magnetischen Gleichfeldes H , die ihrerseits dem Gleichstrom, der die dritte Wicklung 8 durchfließt, proportional ist. Das reine magnetische Wechselfeld in Fig. 4 hat die Gestalt
(V) · H = H ·
o
. 130037/0532 OOPY
Durch Überlagerung mit dem magnetischen Gleichfeld der Stärke - H wird daraus ein Wechselfeld mit dem Verlauf
(VI) H = H- -Üfc- - H
° 111
Die Erzeugung eines Wiegand-Impulses erfolgt wieder gemäß (III) bei H - H„, sodaß sich für die zugehörige Phasenlage (D7 =Cot7
die lineare Beziehung
Ψτ HZ
(VII) J^ ±
ergibt, sodaß die Fhasenlage der Wiegand-Impulse 10 innerhalb der Periode ■ proportional zur Feldstärke H^ des Gleichfeldes und damit proportional zur Stromstärke des das magnetische Gleichfeld erregenden Gleichstromes verschoben werden kann
Die Erfindung ermöglicht also mit einer kompakten, robusten und preiswerten Baugruppe sowohl die Erzeugung von unmittelbar zur Zündung von Thyristoren u. dgl. geeigneten Impulsen als auch deren Phasenverschiebung und galvanische Trennung.
COPY
13 0 037/0532 ORIGINAL INSPECTED

Claims (1)

  1. DR. RUDOLF BAUER D1PL.-ING, HELMUT HUBBUCH
    DIPL.-PHYS. ULRICH TWELMEIER 3008583
    WESTLICHE 2O-31 (AM LEOPOLDPLATZ)
    O-7530 PFORZHEIM, (WEST-QERMANY) Tf (O7asi) ioaago/7u
    3. März 1980 III/K
    Dr. Eugen DUrrwächter DODUCO, 7530 Pforzheim
    Impulstransformator
    Ansprüche;
    ,"Λ
    [AJ Impulstransformator, insbesondere zur Zündung von Thyristoren und Triacs mit galvanischer Trennung des Transformatoreingangs vom Transformatorausgang, bestehend aus einer elektrischen Primärwicklung, einer elektrischen Sekundärwicklung sowie aus einem ferromagnetisehen Kern, der die Primär- und die Sekundärwicklung magnetisch miteinander koppelt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (1) ein bistabiles magnetisches Element (nachfolgend BME genannt) ist.
    2. Impulstransformator nach Anspruch 1, dadurch qekennzeichnej daß das BME (1) ein Wiegand-Draht ist.
    3. Impulstransformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (3) das BME (1) umgibt.
    130037/0532 oopy 2 "
    ORIGINAL INSPECTED
    4. Impulstranformator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (2)
    das BME (1) umgibt.
    5. . Impulstransformator nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet t daß eine dritte Wicklung (8) vorgesehen ist, welche magnetisch mit dem BME (1) gekoppelt und an eine veränderliche Gleichstromquelle (9) angeschlossen ist.
    6. Impulstransformator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Wicklung (8) das .-BME (1) umgibt.
    7. Impulstransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dauermagnet vorgesehen
    ist, dessen Magnetfeldstärke am Ort des BME von der Bewegung eines Gegenstandes abhängig veränderbar ist.
    8. Impulstransformator nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (3) an eine einen
    sinusförmigen Wechselstrom erzeugende Wechselstromquelle anqeschlossen ist.
    9. Impulstransformator nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (3) an eine einen
    sägezahnförmigen Wechselstrom, vorzugsweise einen solchen mit einer vertikalen Flanke, erzeugende Wechselstromquelle angeschlossen ist.
    130037/0532
    ' > COPY - 3 -
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