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.
DC converter with a bridge circuit with premagnetized field plates It is often important to be able to measure voltages potential-free. With AC voltages, this can easily be done with the help of AC converters. But also DC voltages must, z. B. in control technology, can be detected potential-free.
DC voltage converters are, however, much more complicated in structure than AC voltage converters, because the DC voltage values cannot be transmitted by means of a transformer, but input and output, as with AC voltage converters, must not be galvanically coupled. In such converters, u. a. For galvanic separation of input and output, magnetic field-dependent resistors, the so-called field plates, are used (see Solid State Electronics, Pergamon Press, 1964, 7, 363 to 371 and 1966, 9, 443 to 451 and Electronics, 1967, No. 5, 137/138).
Claim I of the main patent 483 639 relates to a direct current converter with a bridge circuit with premagnetized and the control magnetic field of the direct current to be measured from set field plates and connected to the bridge nem direct current amplifier, the output current of which generates a negative coupling field counteracting the control magnetic field, with a single, all Field plates and magnetic fluxes common magnetic circuit is provided, which consists at least on part of its circumference and / or cross section of a magnetically saturated material only above the maximum value of the negative feedback field.
The converter according to the main patent can also be operated as a voltage converter connected to a shunt.
The aim is now to solve the problem of creating a direct current converter that works perfectly even in the event of an overload, without the negative feedback field having to increase as much as required above the nominal control in accordance with the control field. The temperature dependency of the control winding (e.g. copper winding) is included in the ratio of the winding voltage to the total voltage.
In the case of a converter that is to be connected to a shunt, there are generally no high voltages available. For these cases, according to the main patent, a converter version is provided in which the control winding is designed for the shunt voltage and is operated without special temperature compensation, i.e. with its full temperature coefficient. However, it is ensured that the negative feedback winding has the same temperature coefficient.
The temperature coefficients then cancel each other out on the input and output side if both windings have essentially the same temperature and if the voltage on the negative feedback winding or on another resistor with the same temperature coefficient in the feed of the negative feedback winding is used as the output signal.
According to this, one condition for such a converter to work with few errors was that the control and negative feedback windings have approximately the same temperature, which can be achieved by ensuring good thermal contact between the two windings. This teaching has proven useful in many cases. However, it has been shown that it is not always sufficient under unfavorable conditions. The invention is therefore based on the object of further reducing errors caused by the action of temperature.
The invention is a further embodiment of the subject matter of claim I of the main patent, and it consists in that the control device for generating the control magnetic field is connected to a shunt, and that the control and counter-coupling winding are made of material with the same temperature coefficient and that these windings are dimensioned such that they have practically the same electrical power losses and practically the same heat dissipation against the environment, and that the tap for the output signal is provided on the negative feedback winding.
It has therefore proven to be beneficial not only to ensure good thermal contact between the control and negative feedback windings, but also by suitable dimensioning of the control and negative feedback coils for approximately the same electrical power losses and thus for the same amount of heat development in the coils To take care.
In the case of a control winding made of copper, the temperature variation of the copper resistance of this winding can be compensated by taking the output voltage from the copper resistance of the negative feedback coil or from another copper resistor through which the negative feedback current flows. However, this is not always necessary.
Another possible solution is that when using a shunt made of copper (or another highly conductive material with a strong temperature transition), a temperature-independent resistor is set in the negative feedback circuit, which is provided for tapping the output signal. The output signal can also be tapped at a temperature-independent Wi resistance that is not made of copper and through which the negative feedback current flows, if the shunt and the control winding are made of copper. It is then advantageous if the shunt and the control winding are at approximately the same temperature.
It has also proven to be beneficial to take into account the time constant of the control winding connected in parallel with the shunt. The shunt and / or winding of the control magnet field are therefore expediently dimensioned or assigned to the counter-coupling winding in such a way that their time constants are practically the same. The time constant of the control winding has the most favorable, i.e. H.
smallest value when the control winding is in close magnetic coupling with the negative feedback winding, because then the leakage flux of the control winding is small. If the self-induction of the control winding, which remains despite the magnetic negative feedback, cannot be kept small enough in some cases, it is very useful to increase the inductivity of the shunt so that its time constant is equal to the time constant of the primary winding.
Based on the schematic drawing, an exemplary embodiment of the invention is explained in more detail.
In the example shown, the input voltage U1 applied to shunt 1 is tapped at shunt terminals 2 and 3 and applied to control winding 4. This lies together with the bias winding 5 and the negative feedback winding 6 on a magnetic core 7, which has two air gaps with the field plates 8 and 9. Instead of the Vormagnetisierungswicklun gene 5 (or winding) supplied by the power source 10, a permanent pre-magnetization of the core 7 is often provided. To increase the zero point stability, the field plates 8 and 9 with the fixed resistors 11 and 12 are connected together to form a bridge with the voltage source 13 in the example shown.
The premagnetization serves to bring the change in resistance of the field plates 8 and 9 (magnetic field-dependent resistances) into the steep range of their characteristic curve, where the resistance is dependent on the field direction (see also Solid-State Electronics, Pergamon Press, 1965, 8, 365-373). The control winding 4, the bias flux and the field plates 8 and 9 are assigned to each other in the core 7 so that when the control voltage changes, the resistance of one field plate is increased and the resistance of the other field plate is decreased.
Due to the resulting bridge detuning, the transistor amplifier 14, which feeds the counter-coupling winding 6 (or the counter-coupling windings if two or more windings 6 are used) at its output. Due to the negative feedback magnetization, the magnetization going back to the control winding 4 is canceled to such an extent that the remaining difference is sufficient to control the transistor amplifier 14.
It is ensured that by suitable dimensioning of control and negative feedback coils in both coils approximately the same electrical power losses and thus the same amount of heat development occurs. As a result, and through good thermal contact between the two coils, the converter according to the invention emits a practically temperature-independent output signal. This can be applied to the negative feedback winding 6, which is in series with the output of the transistor amplifier 14, for. B. with the voltmeter 15 can be removed.
When using a shunt made of copper (or a similar, highly conductive material with a relatively strong temperature drift), it is not absolutely necessary to use material with the same temperature coefficient for the control and negative feedback windings 4 and 6 and to keep the windings at the same temperature if only the shunt 1 and the control winding 4 are at approximately the same temperature. The output signal is in this case, for. B. from the ge dashed drawn temperature-independent opponent stood 18 with the device 19 removed, which is set in the circuit of the negative feedback winding 6.
The described converter is improved when shunt 1 and / or winding 4 of the control magnetic field are dimensioned or assigned to the counter coupling winding in such a way that their time constants are practically the same. This can be brought about on the one hand by artificially increasing the inductance of the shunt 1 in such a way that its time constant becomes equal to the time constant of the control winding. In the drawing, this is shown with the inductance 20, which is in series with the shunt 1 (equivalent circuit diagram).
An adjustment of the time constants of control winding 4 and shunt 1 is also possible by bringing control winding 4 on core 7 into close magnetic coupling with counter-coupling winding 6.