Gleichstromwandler mit einer Brückenschaltung mit vormagnetisierten Feldplatten Es ist häufig wichtig, Spannungen potentialfrei mes sen zu können. Bei Wechselspannungen kann das leicht mit Hilfe von Wechselstromwandlern ausgeführt wer den. Aber auch Gleichspannungen müssen, z. B. in der Regelungstechnik, potentialfrei erfasst werden können.
Gleichspannungswandler sind aber im Aufbau wesent lich komplizierter als Wechselspannungswandler, weil sich die Gleichspannungsgrössen nicht transformatorisch übertragen lassen, aber Ein- und Ausgang ebenso wie bei Wechselspannungswandlern galvanisch nicht gekop pelt sein dürfen. In solchen Wandlern werden, u. a. zur galvanischen Trennung von Eingang und Ausgang, ma gnetfeldabhängige Widerstände, die sog. Feldplatten , verwendet (siehe Solid State Eletronics , Pergamon Press, 1964, 7, 363 bis 371 und 1966, 9, 443 bis 451 sowie Elektronik , 1967, Heft 5, 137/138).
Der Patentanspruch I des Hauptpatentes 483 639 bezieht sich auf einen Gleichstromwandler mit einer Brückenschaltung mit vormagnetisierten sowie dem Steuermagnetfeld des zu messenden Gleichstromes aus gesetzten Feldplatten und an die Brücke angeschlosse nem Gleichstromverstärker, dessen Ausgangsstrom ein dem Steuermagnetfeld entgegenwirkendes Gegenkopp lungsfeld erzeugt, wobei ein einziger, allen Feldplatten und Magnetflüssen gemeinsamer Magnetkreis vorgese hen ist, der mindestens auf einem Teil seines Umfanges und/oder Querschnitts aus einem erst oberhalb des Höchstwertes des Gegenkopplungsfeldes magnetisch ge sättigten Material besteht.
Der Wandler nach dem Hauptpatent kann an einen Shunt angeschlossen auch als Spannungswandler betrieben werden.
Es soll nun die Aufgabe gelöst werden, einen Gleich stromwandler zu schaffen, der auch bei überlast ein wandfrei arbeitet, ohne dass das Gegenkopplungsfeld entsprechend dem Steuerfeld oberhalb der Nennaus steuerung beliebig stark ansteigen muss. Die Tempera turabhängigkeit der Steuerwicklung (z. B. Kupferwick- lung) geht im Verhältnis der Wicklungsspannung zur Gesamtspannung ein.
Bei einem Wandler, der an einen Shunt angeschlos sen werden soll, stehen in der Regel keine hohen Span nungen zur Verfügung. Für diese Fälle ist nach dem Hauptpatent eine Wandlerausführung vorgesehen, in der die Steuerwicklung für die Shuntspannung ausgelegt ist und ohne spezielle Temperaturkompensation, also mit ihrem vollen Temperaturkoeffizienten, betrieben wird. Jedoch wird dafür gesorgt, dass die Gegenkopp lungswicklung den gleichen Temperaturkoeffizienten hat.
Dann heben sich die Temperaturkoeffizienten ein gangs- und ausgangsseitig gegenseitig auf, wenn beide Wicklungen im wesentlichen die gleiche Temperatur ha ben und wenn die Spannung an der Gegenkopplungs wicklung oder an einem anderen Widerstand mit glei chem Temperaturkoeffizienten in der Zuführung der Gegenkopplungswicklung als Ausgangssignal verwendet wird.
Eine Bedingung für ein fehlerarmes Arbeiten eines solchen Wandlers war hiernach also, dass Steuer- und Gegenkopplungswicklung etwa gleiche Temperatur ha ben, was dadurch erreicht werden kann, dass man für einen guten Wärmekontakt zwischen den beiden Wick lungen sorgt. Diese Lehre hat sich in vielen Fällen als brauchbar erwiesen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass sie bei ungünstigen Bedingungen nicht immer ausreicht. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, auf Temperatureinwirkung zurückgehende Fehler weiter zu vermindern.
Die Erfindung ist eine weitere Ausgestaltung des Gegenstandes des Patentanspruchs I des Hauptpatentes, und sie besteht darin, dass die Steuereinrichtung zur Erzeugung des Steuermagnetfeldes an einen Shunt ange schlossen ist, und dass die Steuer- und Gegenkopp lungswicklung aus Material mit gleichem Temperatur koeffizienten bestehen und dass diese Wicklungen derart bemessen sind, dass die praktisch gleiche elektrische Verlustleistungen und praktisch gleiche Wärmeablei tung gegen die Umgebung aufweisen, und dass an der Gegenkopplungswicklung der Abgriff für das Ausgangs signal vorgesehen ist.
Es hat sich hierbei also als günstig herausgestellt, nicht nur für einen guten Wärmekontakt zwischen Steuer- und Gegenkopplungswicklung zu sorgen, son dern auch durch geeignete Bemessung der Steuer- und Gegenkopplungsspulen für etwa gleiche elektrische Ver lustleistungen und damit für gleich grosse Wärmeent wicklung in den Spulen Sorge zu tragen.
Bei einer Steuerwicklung aus Kupfer kann der Tem peraturgang des Kupferwiderstandes dieser Wicklung dadurch kompensiert werden, dass die Ausgangsspan nung am Kupferwiderstand der Gegenkopplungsspule oder an einem anderen Kupferwiderstand, der vom Ge genkopplungsstrom durchflossen wird, abgenommen wird. Das ist jedoch nicht immer erforderlich.
Eine andere mögliche Lösung besteht darin, dass bei Verwendung eines Shunts aus Kupfer (oder einem anderen gutleitenden Material mit starkem Temperatur gang) in den Gegenkopplungskreis ein temperaturunab hängiger Widerstand gesetzt ist, der zum Abgriff des Ausgangssignals vorgesehen ist. Das Ausgangssignal kann also auch an einem temperaturunabhängigen Wi derstand, der also nicht aus Kupfer besteht, und durch den der Gegenkopplungsstrom fliesst, abgegriffen wer den, wenn der Shunt und die Steuerwicklung aus Kup fer hergestellt sind. Es ist dann günstig, wenn der Shunt und die Steuerwicklung auf näherungsweise gleicher Temperatur liegen.
Es hat sich weiterhin als günstig erwiesen, auf die Zeitkonstante der mit dem Shunt parallelgeschalteten Steuerwicklung Rücksicht zu nehmen. Es sind daher zweckmässig Shunt und/oder Wicklung des Steuerma gnetfeldes derart dimensioniert bzw. der Gegenkopp- lungswicklung zugeordnet, dass ihre Zeitkonstanten praktisch gleich sind. Die Zeitkonstante der Steuerwick lung hat den günstigsten, d. h.
kleinsten Wert, wenn die Steuerwicklung in enger magnetischer Kopplung mit der Gegenkopplungswicklung steht, weil dann der Streufluss der Steuerwicklung klein ist. Kann die trotz der magneti schen Gegenkopplung verbleibende Selbstinduktion der Steuerwicklung in einigen Fällen nicht klein genug ge halten werden, so ist es sehr zweckmässig, die Indukti vität des Shunts so zu erhöhen, dass seine Zeitkonstante gleich der Zeitkonstanten der Primärwicklung wird.
Anhand der schematischen Zeichnung wird ein Aus führungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Im gezeichneten Beispiel wird die am Shunt 1 an liegende Eingangsspannung U1 an den Shunt-Klemmen 2 und 3 abgegriffen und auf die Steuerwicklung 4 ge geben. Diese liegt zusammen mit der Vormagnetisie rungswicklung 5 und der Gegenkopplungswicklung 6 auf einem Magnetkern 7, der zwei Luftspalte mit den Feldplatten 8 und 9 aufweist. Anstelle der durch die Stromquelle 10 versorgten Vormagnetisierungswicklun gen 5 (bzw. Wicklung) ist häufig eine permanente Vor magnetisierung des Kerns 7 vorgesehen. Zur Erhöhung der Nullpunktsstabilität sind im gezeichneten Beispiel die Feldplatten 8 und 9 mit den Festwiderständen 11 und 12 zu einer Brücke mit der Spannungsquelle 13 zu sammengeschaltet.
Die Vormagnetisierung dient dazu, die Widerstandsänderung der Feldplatten 8 und 9 (ma gnetfeldabhängige Widerstände) in den steilen Bereich von deren Kennlinie zu bringen, wo der Widerstand feldrichtungsabhängig ist (vgl. auch Solid-State Elec- tronics , Pergamon Press, 1965, 8, 365-373). Die Steuerwicklung 4, der Vormagnetisierungsfluss sowie die Feldplatten 8 und 9 sind im Kern 7 einander so zuge ordnet, dass bei Änderung der Steuerspannung der Wi derstand der einen Feldplatte erhöht und der Wider stand der anderen Feldplatte erniedrigt wird.
Durch die daraus resultierende Brückenverstimmung wird der Transistorverstärker 14, der an seinem Ausgang die Ge genkopplungswicklung 6 (bzw. die Gegenkopplungswick lungen, wenn zwei oder mehr Wicklungen 6 verwendet sind) speist. Durch die Gegenkopplungsmagnetisierung wird die auf die Steuerwicklung 4 zurückgehende Ma gnetisierung soweit aufgehoben, dass die verbleibende Differenz ausreicht, um den Transistorverstärker 14 aus zusteuern.
Es ist dafür gesorgt, dass durch geeignete Bemes sung von Steuer- und Gegenkopplungsspulen in beiden Spulen etwa gleiche elektrische Verlustleistungen und damit gleich grosse Wärmeentwicklung auftritt. Dadurch und durch guten Wärmekontakt zwischen den beiden Spulen gibt der erfindungsgemässe Wandler ein prak tisch temperaturunabhängiges Ausgangssignal ab. Dieses kann an der Gegenkopplungswicklung 6, die in Reihe mit dem Ausgang des Transistorverstärkers 14 liegt, z. B. mit dem Voltmeter 15, abgenommen werden.
Bei Verwendung eines Shunts aus Kupfer (oder ei nem ähnlich gutleitendem Material mit relativ starkem Temperaturgang) ist es nicht unbedingt erforderlich, für die Steuer- und Gegenkopplungswicklungen 4 und 6 Material mit gleichem Temperaturkoeffizienten zu be nutzen und die Wicklungen auf gleicher Temperatur zu halten, wenn nur der Shunt 1 und die Steuerwicklung 4 auf annähernd gleicher Temperatur liegen. Das Aus gangssignal wird in diesem Fall z. B. von dem ge strichelt gezeichneten temperaturunabhängigen Wider stand 18 mit dem Gerät 19 abgenommen, der in den Stromkreis der Gegenkopplungswicklung 6 gesetzt ist.
Eine Verbesserung des beschriebenen Wandlers er gibt sich, wenn Shunt 1 und/oder Wicklung 4 des Steuermagnetfeldes derart dimensioniert bzw. der Ge genkopplungswicklung zugeordnet sind, dass ihre Zeit konstanten praktisch gleich sind. Das kann einerseits dadurch bewirkt werden, dass die Induktivität des Shunts 1 künstlich erhöht wird, derart, dass seine Zeit konstante gleich der Zeitkonstanten der Steuerwicklung wird. In der Zeichnung ist das mit der Induktivität 20, die in Reihe mit dem Shunt 1 liegt (Ersatzschaltbild), dargestellt.
Eine Angleichung der Zeitkonstanten von Steuerwicklung 4 und Shunt 1 ist aber auch dadurch möglich, dass man die Steuerwicklung 4 auf dem Kern 7 in enge magnetische Kopplung mit der Gegenkopp lungswicklung 6 bringt.